电子产品散热设计

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产品热设计

VCS项目散热预研

欧国彦

2012-12-4

电子产品的散热设计

一、为什么要进行散热设计

在调试或维修电路的时候，我们常提到一个词“**烧了”，这个**有时是电阻、有时是保险丝、有时是芯片，可能很少有人会追究这个词的用法，为什么不是用“坏”而是用“烧”其原因就是在机电产品中，热失效是最常见的一种失效模式，电流过载，局部空间内短时间内通过较大的电流，会转化成热，热**不易散掉，导致局部温度快速升高，过高的温度会烧毁导电铜皮、导线和器件本身。所以电失效的很大一部分是热失效。

高温对电子产品的影响：绝缘性能退化；元器件损坏；材料的热老化；低熔点焊缝开裂、焊点脱落。

温度对元器件的影响：一般而言，温度升高电阻阻值降低；高温会降低电容器的使用寿命；高温会使变压器、扼流圈绝缘材料的性能下降，一般变压器、扼流圈的允许温度要低于95C；温度过高还会造成焊点合金结构的变化—IMC增厚，焊点变脆，机械强度降低；结温的升高会使晶体管的电流放大倍数迅速增加，导致集电极电流增加，又使结温进一步升高，最终导致元件失效。

那么问一个问题，如果假设电流过载严重，但该部位散热极好，能把温升控制在很低的范围内，是不是器件就不会失效了呢答案为“是”。

由此可见，如果想把产品的可靠性做高，一方面使设备和零部件的耐高温特性提高，能承受较大的热应力（因为环境温度或过载等引起均可）；另一方面是加强散热，使环境温度和过载引起的热量全部散掉，产品可靠性一样可以提高。

二、散热设计的目的

控制产品内部所有电子元器件的温度，使其在所处的工作环境条件下不超过标准及规范所规定的最高温度。最高允许温度的计算应以元器件的应力分析为基础,并且与产品的可

热设计、冷却方式、散热器、热管技术

靠性要求以及分配给每一个元器件的失效率相一致。

三、散热设计的方法

1、冷却方式的选择

我们机电设备常见的是散热方式是散热片和风扇两种散热方式，有时散热的程度不够，有时又过度散热了，那么何时应该散热，哪种方式散热最合适呢这可以依据热流密度来评估，热流密度=热量 / 热通道面积。

按照《GJB/Z27-92 电子设备可靠性热设计手册》的规定（如下图1），根据可接受的温升的要求和计算出的热流密度，得出可接受的散热方法。如温升40℃（纵轴），热流密度cm2（横轴），按下图找到交叉点，落在自然冷却区内，得出自然对流和辐射即可满足设计要求。

大部分散热设计适用于上面这个图表，因为基本上散热都是通过面散热。但对于密封设备，则应该用体积功率密度来估算，热功率密度=热量 / 体积。下图（图2）是温升要求不超过40℃时，不同体积功率密度所对应的散热方式。比如某电源调整芯片，热耗为，体积为，体积功率密度==cm3，查下图得出金属传导冷却可满足要求

按照上图，可以得出冷却方法的选择顺序：自然冷却一导热一强迫风冷一液冷一蒸发冷却。体积功率密度低于cm3传导、辐射、自然对流等方法冷却；强迫风冷；～cm3液冷；大于cm3蒸发冷却。注意这是温升要求40℃时的推荐参考值，如果温升要求低于40℃，就需要对散热方式降额使用，时就需要选择强迫风冷，如果要求温升很低，甚至要选择液冷或蒸发冷却了。

2、散热器的选择

这里面还应注意一个问题，是不是强迫风冷能满足散热要求，我们就可以随便选择风扇转速呢，当然不是，风扇的转速与气流流速有直接关系，这里又涉及一个新概念——热阻。

热阻=温度差 / 热耗（单位℃/W）

热阻越小则导热性能越好，这个概念等同于电阻，两端的温度差类似于电压，传导的热量类似于电流。风道的热阻涉及流体力学的一些计算，如果我们在热设计方面要求不是很苛刻，可通过估算或实验得出，如果要求很苛刻，可以查阅《GJB/Z27-92 电子设备可靠性热设计手册》，里面有很多系数、假设条件的组合，三言两语说不清楚，个别系数我也没搞明白如何与现实的风道设计结合，比如，风道中有一束电缆、风道的壁不是均匀的金属板，而是有高低不平带器件的电路板，对一些系数则只能估算了，最准确的方式反而是实验测量了。

热阻更多的是用于散热器的选择，一般厂家都能提供这个参数。举例，芯片功耗20W，芯片表面不能超过85℃，最高环境温度55℃，计算所需散热器的热阻R。

计算：实际散热器与芯片之间的热阻近似为℃/W，则(R+=(85-55) ℃/20W，则R=℃/W。依据这个数值选散热器就可以了。

这里面注意一个问题，我们在计算中默认为热耗≈芯片功率，对一般的芯片，我们都可以这样估算，因为芯片中没有驱动机构，没有其他的能量转换机会，大部分是通过热量转化掉了。而对于电源转换类芯片或模块，则不可以这样算，比如电源，它是一个能源输出，它的输入电量一部分转化成了热，另外很大部分转化成电能输出了，这时候就不能认为热耗≈功率。

3、散热器的设计方法

、散热器设计的步骤

通常散热器的设计分为三步

a:根据相关约束条件设计处轮廓图。

b:根据散热器的相关设计准则对散热器齿厚、齿的形状、齿间距、基板厚度进

行优化。

c:进行校核计算。

3.2、自然冷却散热器的设计方法

、考虑到自然冷却时温度边界层较厚，如果齿间距太小，两个齿的热边界层易交叉，影响齿表面的对流，所以一般情况下，建议自然冷却的散热器齿间距大于12mm，如果散热器齿高低于10mm，可按齿间距≥倍齿高来确定散热器的齿间距。

、自然冷却散热器表面的换热能力较弱，在散热齿表面增加波纹不会对自然对流效果产生太大的影响，所以建议散热齿表面不加波纹齿。

、自然对流的散热器表面一般采用发黑处理，以增大散热表面的辐射系数，强化辐射换热。

、由于自然对流达到热平衡的时间较长，所以自然对流散热器的基板及齿厚应足够，以抗击瞬时热负荷的冲击，建议大于5mm以上。

3.3、强迫冷却散热器的设计方法

3.3.1、在散热器表面加波纹齿，波纹齿的深度一般应小于。

、增加散热器的齿片数。目前国际上先进的挤压设备及工艺已能够达到23的高宽比，国内目前高宽比最大只能达到8。对能够提供足够的集中风冷的场合，建议采用低温真空钎焊成型的冷板，其齿间距最小可到2mm。

3.3.3、采用针状齿的设计方式，增加流体的扰动，提高散热齿间的对流换热系数。

3.3.4、当风速大于1m/s(200CFM)时，可完全忽略浮升力对表面换热的影响。

3.4、在一定冷却条件下，所需散热器的体积热阻大小的选取方法

3.5、在一定的冷却体积及流向长度下，确定散热器齿片最佳间距的大小

的方法

3.6、不同形状、不同的成型方法的散热器的热传递效率比较的大小的方

法

3.7、散热器的相似准则数及其应用方法

、相似准则数的定义

3.7.2、相似准则数的应用

、散热器的基本的优化方法

、不同风速下散热器齿间距选择方法

、优化散热器齿间距的经验公式及评估风速变化对热阻的影响的经验公式、辐射换热的考虑原则

①如果物体表面的温度低于50℃，可忽略颜色对辐射换热的影响。因为此时辐射波长相当长，处于不可见的红外区。而在红外区，一个良好的发射体也是一个良好的吸收体，发射率和吸收率与物体表面的颜色无关。

②对于强迫风冷，由于散热表面的平均温度较低，一般可忽略辐射换热的贡献。

③如果物体表面的温度低于50℃，可不考虑辐射换热的影响。

④辐射换热面积计算时，如表面积不规则，应采用投影面积。即沿表面各部分绷紧绳子求得的就是这一投影面积，如下图所示。辐射传热要求辐射表面必须彼此可见。

4、风路的设计方法

、自然冷却的风路设计

机柜的后门(面板)不须开通风口。

底部或侧面不能漏风。

应保证模块后端与机柜后面门之间有足够的空间。

机柜上部的监控及配电不能阻塞风道，应保证上下具有大致相等的空间。