热设计参考

℃—40℃。 4．2 元器件的温度 热设计的最主要目的是确保电子设备中元器件的工作温度低于其最大的许可温度。 元器件的最大许可温度根据可靠性要求及失效率确定，见 GJB/Z 299。 对于半导体器件和集成电路， 主要是控制结温 tj， 热设计要保证 tj≤ （0.5—0.8） tjmax， 其中 tjmax 是器件的最大许可结温。 一般地，对于 tjmax=150℃的器件，tj 应小于 120℃； 对 于 tjmax=125℃的器件，tj 应小于 95℃。由于结温没有办法测量，通常是测量壳温，再 按器件热阻计算出结温。另外要防止由于器件管脚热阻较小，热量大部分传到 PCB 板， 从而引起 PCB 局部温度过高，进而导致 PCB 烧黄或损害周围其它器件的问题 4．3 系统温升 ①设备的系统温升指设备内部空气的平均温度与环境温度之差，按 10℃—15℃要求； ②电子设备内部散热器的最大温升不应超过 45℃； ③关于进、出风口的温升：对于热功耗分布比较均匀的系统，小于 15℃；对于其它系 统，小于 10℃。另外，对于自然冷却系统，可取上限。 4．4 热设计应留有余量，一般按 10%考虑； 4．5 热设计方案要求至少有两套，并且从效果、可行性、经济性等方面进行论证，最终优 选出一种方案； 4．6 上述各种温度的测量方法和要求见下面 9.3 节。 5． 电子设备热设计的流程 5．1 简短地说，一个完整的热设计过程应包括系统散热方案的确定、详细分析设计、样机 测试等过程，它是一个反复进行，多次验证的一个闭环过程。如下图 1 所示： 5．2 产品的研发过程一般是：项目论证、系统设计、工程研制、试生产、生产。相应地， 热设计工作可以详细地分为下面几个阶段：系统调研、系统设计、详细设计、样机制 作、样机调试和测试、转产及批量生产。为保证研发的周期和产品的可靠性，避免设 计完成后再有较大的更改、反复，对应上述的每一个阶段，系统部、开发部和工艺结 构部要相互配合，以完成相应的热设计工作： 5．2．1 系统调研 在进行系统调研时，应考查设备的使用环境和安装情况、用户对设备噪声的要求、 用户对散热方式的要求及本公司、其它公司同类设备的散热设计与效果等。系统调研 一般由系统部组织进行，如果没有结构人员参加，则项目经理（或项目经理指定的人 员）有责任将上述情况提供给该项目的结构设计工程师。 5．2．2 系统设计 在系统设计阶段，系统部（项目经理或其指定人员）要提供系统的配置情况、系 统的总功耗或各部分的功耗、功耗较大的重点单板（器件）位置。由项目经理和结构 设计工程师一起确定系统的温升、系统的外形尺寸及重点器件和单板的布置。 结构设计工程师根据调研的结果和上述的情况，通过较详细的热计算和热仿真， 提出热设计方案；包括确定系统的冷却方式（自然冷却、强迫风冷或其它） ；确定风 道、选择风机的型号、数量及布置；对导风板、隔热板、通风网板、防尘网的设计提 出要求；对系统中单板及元器件的布置提出要求等。必要时，还需要对重点元件、重 点区域进行热模拟实验。 在结构设计工程师的系统方案中，必须包括上述热设计方案，且在进行系统方案 评审时，要求对热设计方案进行评审。 5．2．3 详细设计
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在进行详细设计时，开发部电路工程师要满足热设计方案中对单板和元器件布置 提出的要求，且要提供重点元器件（芯片）的资料、功耗；结构设计工程师要具体体 现热设计方案的要求，此外，还要根据具体的元器件（芯片）情况，选择和优化散热 器、确定风扇的安放位置等。 5．2．4 样机制作、调试和测试 这一阶段，主要是由结构设计工程师在开发部和测试部人员的配合下进行热测 试，以对前面的热设计方案进行验证、检验和总结，并根据测试的结果，提交热测试 报告，进一步对热设计Hale Waihona Puke Baidu出改进。 5．2．5 产品转产 根据中试部转产测试的情况，如果需要，进行进一步的改进，并最终完成产品的 热设计工作；分析和总结热设计过程中的经验、教训。
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常用材料的黑度，见下表一。 表一 材料（状态） 铝（工业薄板） 铝（磨光） 铝（喷砂） 铝（氧化） 铁（磨光） 铁（喷黑漆） 钢（磨光） 黄铜（磨光） 黑漆、白漆 黑度 0.09 0.06 0.81 0.33 0.14---0.38 0.8 0.06 0.06 0.8---0.95
6．2 热设计的基本原则 6．2．1 要清楚了解设备的工作环境，包括环境温度的变化范围、太阳或周围其它物体的 辐射情况等，系统散热方案应该符合产品应用的环境要求； 6．2．2 一般地，对于元器件，我们采用 II 级降额，根据元器件的资料，就可以确定最 高允许温度； 6．2．3 热设计应与工业造型设计、电气设计、结构设计、可靠性设计及电磁兼容设计同 时考虑。在保证电气性能和可靠性要求的前提下，权衡分析，折衷解决。例如， 在设计通风网板时，一般我们都希望开孔率高，这就涉及到孔间距和孔的大小。 从孔的大小看，我们当然希望越大越好，但一方面，考虑 EMC 的要求，开孔直 径一般不超过干扰波长的 1/20；另一方面，根据安规的要求，系统的开孔必须满 足下列任何一项要求：A、任何一方向测量，孔的尺寸不应超过 5mm；B、如果 孔的宽度在 1mm 内，长度则不限；C、孔尺寸不限，但须确保外物不会直接掉 入孔内而触碰到具危险电压的零件； 6．2．4 要保证冷却系统结构简单、工作可靠及费用较低。一个重要的原则是：力争用成 熟的工艺、成熟的技术，设计出高可靠性的产品； 6．2．5 要考虑冷却设备的振动和噪音； 6．2．6 对于强迫空气冷却，冷却空气的入口温度要限制，即使冷却空气的入口远离其它 设备热空气的出口，不能二次利用冷却空气进行冷却； 6．2．7 要提高冷却系统的可维修性。对冷却系统进行维修时，应具有良好的安全性和可 达性；防尘装置和风扇要便于快速拆卸、清洗和更换，且防尘装置上必须有提醒 用户清洗的标志； 6．2．8 子系统的热设计要和整个系统的热设计一起考虑。例如，电源整流器的热设计要 考虑到电源系统的的热设计、传输子架的热设计要考虑到整个机柜的热设计，反 之亦然。 7．热设计方法之一—热分析计算 7．1 冷却方法的选择 选择冷却方法时，主要考虑下列因素：设备的热流密度、体积功率密度及温升等。 一般地说， 热流密度小于 0.08W/cm2， 采用自然冷却方式； 热流密度超过 0.08W/cm2， 体 积功率密度超过 0.18W/cm3，须采用强迫风冷方式。当然，应用上述这个判据是有前提 的：一是上述方法是假设热量均匀分布在整个设备的体积中；二是设备内的热量能充分 地传到设备表面。
电子设备热设计规范
1．目的及适用范围 本规范明确了电子设备热设计的指标要求和热设计流程，并提供了热设计的基本理 论、热设计的三种方法和要求，即热分析计算、计算机热仿真、热模拟测试及热测试。 本规范适用于深圳市中兴通讯股份有限公司本部事业部在产品研制过程中的热设计工 作。 2． 引用标准 GJB/Z 27-92 中华人民共和国国家军用标准 电子设备可靠性热设计手册 Q/ZX 23.010-1999 电子产品组件可靠性热设计指南 GJB/Z 299B-98 电子设备可靠性预计手册 3． 相关术语的定义 3．1 热流密度 单位面积的热流量，单位：W/m2 3．2 体积功率密度 单位体积的热流量，单位：W/m3 3． 3 热阻 热量在热流路径上遇到的阻力。一般用 R 表示，即：R=Δt/Q，单位：℃/W 3．4 特征尺寸 对流换热准则数中代表热表面的几何尺寸，一般用 D 表示，单位：m 3．5 导热系数 材料传导性能的参数指标。一般用λ表示，单位：W/m·℃ 3．6 对流换热系数 反映了两种介质间对流换热过程的强弱，表明了流体与壁面间温差为 1℃时，在 单位时间内通过单位面积的热量。一般用 hc 表示，单位：W/m2·℃ 3．7 黑度 表明物体的辐射力接近绝对黑体辐射力的程度，一般用ε表示，单位：无 3．8 雷诺数 该数反映了流体流动时的惯性力与粘滞力的大小之比，是说明流体流态的一个 相似准则。一般用 Re 表示，单位：无 3．9 普朗特数 该数是说明流体物理性质对换热影响的相似准则。一般用 Pr 表示，单位：无 3．10 格拉晓夫数 该数反映了流体所受的浮升力与粘滞力的相对大小，是说明自然对流换热强 度的一个相似准则。一般用 Gr 表示，单位：无 4． 电子设备热设计的指标要求 热设计总的要求是通过对电子产品进行热分析、热设计与热测试，以建立起与设备 可靠性要求及分配给每一个元器件的失效率相一致的环境温度控制系统，使电子元器件 周围和电子元器件本身的温度不超过最大的指定范围。 4．1 环境温度 电子设备的环境温度一般包括设备的存储温度和使用温度，主要根据国标（行业标 准）的相关规定，结合设备的使用环境和本公司的要求来确定。下面的数据可供参考： 设备存储温度：-40℃—70℃；设备使用环境温度：室内设备-5℃—45℃；室外设备-35
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7．1．1 温升为 40℃时，各种冷却方法的热流密度和体积功率密度值如下图 2 所示。
(a) 热流密度
图2
（b）体积功率密度（适用于密封单元内部的冷却） 温升为 40℃时，各种冷却方法的热流密度和体积功率密度
图 3 冷却方法的选择
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7．1．2 冷却方法可以根据热流密度与温升要求，按上图 3 选择，这种方法适用于温升要 求不同的各类设备的冷却。 7．2 自然冷却计算 自然冷却机箱（柜）的散热主要是通过表面辐射散热和空气自然对流换热两种 形式。一般地说，机柜的外表面可看作自然对流的扩展表面，如果热源与机柜有导 热连接，可能导致表面温度升高，对操作人员造成不舒适的工作环境，因此，机柜 表面不得高于周围环境温度（机房）10℃。 7．2．1 机箱（柜）表面辐射散热 辐射散热的大小与表面温度、形状、表面粗糙度、材料、涂层和颜色等因素有 关，即： Q1=εAσ(T14-T24) 其中，Q1---辐射散热量，W ε---散热表面的黑度，见前面表一 2 A---散热表面面积，m -8 2 4 σ---玻尔兹曼常数，5.67X10 W/m .K T1---散热表面温度，K T2---环境温度，K 7．2．2 机箱（柜）表面自然对流散热 对在海平面任意方向尺寸小于 600mm 的机箱（柜） ，表面的自然对流换热可以 用下列简化公式计算： Q2=2.5CA△t1.25/D0.25 其中，Q2---表面自然对流散热量，W C---系数，水平板时，热面朝上为 0.54，朝下为 0.27；竖平板时为 0.59 A---散热面积，m2 △t---换热表面与流体（空气）的温差，℃ D---特征尺寸，对于竖平板或竖圆柱，特征尺寸为高度 H，其它，为（长 +宽）/2，m 7．2．3 机箱的开孔设计 当 Q1+Q2 小于机箱（柜）的总功耗时，必须在机箱（柜）上开通风孔，使冷 空气从机箱（柜）的底部进入，热空气从顶部排出。通风孔的面积为： 1.5 S=(Q-Q1-Q2)/(2.4X10-3·H0.5·△t ) 2 其中，S---进（出）风口面积，cm Q---机箱（柜）总功耗，W H---机箱（柜）的高度，cm △t---机箱（柜）的温升，℃ 小机箱的通风孔面积可从下图 4 查得： 通风孔的布置原则应使进、出风孔尽量远离，进风孔应开在机箱的下端接近底 板处，出风孔应开在机箱侧上端接近顶板处，以形成烟囱效应。
图 1 热设计流程框图
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6． 热设计的基本理论及基本原则 6． 1 热设计的基本理论 热量传递的动力是温差的存在，热量总是从高温区传向低温区，且高温区发出的 热量必定等于低温区吸收的热量。热量的传递过程可分为稳定过程和不稳定过程两类： 凡是物体中各点温度不随时间而变化的热传递过程称为稳定热传递过程；反之则称为 不稳定过程。 热量的传递有三种基本方式：传导、对流换热和辐射换热。它们可以单独出现， 也可能两种或三种形式同时出现。但是对于不同的散热系统，一般只有一种或几种散 热方式起主导作用，其它方式可以忽略。我们在对系统分析时，应根据系统的实际情 况进行合理的选取： （1）对于自然冷却系统，一般需要同时考虑以上三种传热方式； （2）对于强迫对流冷却系统，只需考虑导热和对流； （3）对于室外设备，必须考虑日光辐射因素。 6．1．1 传导 传导指物体直接接触时，通过分子间动能传递进行能量交换的现象。其计算公式 为： Q=KA△t/L 其中，Q---传导散热量，W K---导热系数，W/m.℃ 2 A---导体垂直于传热路径的横截面积，m △t---传热路径两端温差，℃ L---传热路径长度，m 注：常用物质的导热系数：铜：330-380W/m.℃；铝：150-204W/m.℃；铁：73W/m . ℃；空气：0.02-0.03W/m.℃ 6．1．2 对流 对流是指流体各部分之间发生相对位移时所引起的热量传递过程。对流仅发生在 流体中，且必然伴随着有导热现象。流体流过某物体表面时所发生的热交换过程，称 为对流换热。由流体冷热各部分的密度不同所引起的对流称为自然对流。若流体的运 动由外力（泵、风机等）引起的，称为强迫对流。其计算公式为： Q=hcA△t 其中，Q---对流散热量，W hc---对流换热系数，W/m2.℃ 2 A---有效换热面积，m △t---换热表面与流体温差，℃ 对流换热介质有气体和液体，其中液体的冷却效果比气体高出一个数量级。 6．1．3 辐射 物体以电磁波形式传递能量的过程。辐射不需要介质，且有能量形式的转换。辐 射散热的计算公式是： Q=εσA(T14-T24) 其中，Q---辐射散热量，W ε---散热表面的黑度 -8 2 σ---斯蒂芬-玻尔兹曼常数，5.67X10 W/m .K4 T1、T2---分别为物体和环境的绝对温度，K