电子设备热设计讲座
电子行业电子设备热设计第三讲
电子行业电子设备热设计第三讲一、概述在电子行业中，电子设备的热设计是非常关键的一项工作。
合理的热设计可以保证电子设备的稳定性和可靠性，同时也可以提高电子设备的性能和寿命。
本文将对电子行业电子设备热设计的一些基本概念和方法进行介绍，帮助读者更好地理解和应用热设计在电子设备中的作用。
二、热设计的重要性在电子设备中，由于电子器件的工作过程中会产生大量的热量，如果不能及时有效地将热量散发出去，就会导致电子设备的温度升高，进而影响设备的性能和寿命。
因此，热设计成为了电子设备设计中不可忽视的一个重要环节。
在电子设备热设计中，常用的指标包括温度上限、温度梯度和温度均匀性等。
温度上限表示设备能够承受的最高温度，一旦超过该温度，设备就有可能出现损坏或者失效的情况。
温度梯度表示设备内部不同位置的温度差异，过大的温度梯度可能导致部分电子器件工作不稳定。
温度均匀性表示设备内部不同部分的温度分布是否均匀，均匀的温度分布可以提高设备的可靠性和寿命。
三、热设计的基本原理1. 热传导热传导是热设计中最基本的过程，它描述了热量从高温区域传递到低温区域的过程。
在电子设备中，热传导通常是通过导热材料的传导实现的，如铜、铝等具有良好导热性能的材料。
通过合理选择导热材料，可以提高电子设备的散热效果，减少设备的温度上升。
2. 热对流除了热传导外，热对流也是电子设备热设计中常用的散热方式之一。
热对流是指热量通过流体的对流传送，如空气、水等。
在电子设备中，通常通过风扇或者散热片等装置来增加空气流动，加速热量的传输。
合理布置散热片和风扇，可以有效地提高电子设备的散热效果，降低设备的工作温度。
3. 热辐射除了热传导和热对流外，热辐射也是电子设备热设计中需要考虑的因素之一。
热辐射是指热量以电磁波的形式传播，不需要依靠介质传递。
在电子设备中，一些高温的零部件，如芯片和电阻等，会通过热辐射的方式散热。
通过合理设计设备结构和热辐射面积，可以提高设备的散热效果，降低设备的温度。
电子设备热设计基础(电子部讲课做讲义用1)
Thermal Sink
(environment)
热阻与热流量和温度的关系
热设计基本考虑
降低热耗
•
Rt = ∆ t / Q
器件的热耗一般受器件厂工艺水平的制约
• VLSI 的总热耗一般低于 NPN 器件的热耗，但从热流密度的角 器件的热耗， 度看，不可一概而论。 度看，不可一概而论。 • • 控制周围环境向器件的热量传递。 控制周围环境向器件的热量传递。 从结构措施上减小动力增温（ 摩擦热的传输等）。 从结构措施上减小动力增温（如 摩擦热的传输等）。
热对系统可靠性的影响
据统计 电子设备的失效原因中有55 是由于温度过高引起的。 55％ （1）电子设备的失效原因中有55％是由于温度过高引起的。 电子元器件温度每升高10℃ 其可靠性下降一倍。 10℃， （2）电子元器件温度每升高10℃，其可靠性下降一倍。
摘自 美空军整体计划分析报告
热量产生的原因
热设计的目的
电子设备的热设计系指利用热传递特性 电子设备的热设计系指利用热传递特性对电子设备的 热传递特性对电子设备的 耗热元件以及整机或系统采用合适的冷却技术和结构设计， 耗热元件以及整机或系统采用合适的冷却技术和结构设计， 以对它们的温升进行控制 从而保证电子设备或系统正常、 以对它们的温升进行控制，从而保证电子设备或系统正常、 温升进行控制， 可靠地工作。 可靠地工作。 热传递的方式：传导、对流、辐射。 热传递的方式：传导、对流、辐射。 一般来说，这三种形式在电子系统的热传输中所占 一般来说， 的比例分别为60％、20％、20 的比例分别为60％、20％、20％。 60％、20％、20％。
热设计的有关概念
（5） 热流密度 单位面积的热流量。 单位面积的热流量。 （6） 体积功率密度 单位体积的热流量。 单位体积的热流量。 （7） 热阻 热量在热流路径上遇到的阻力（内热阻、外热阻、 热量在热流路径上遇到的阻力（内热阻、外热阻、系统 热阻） 温差越大，热流量就越大。 热阻） 。温差越大，热流量就越大。△T＝RQ 热阻的单位是 /W。 ℃/W。
第2讲 热设计的基本知识
过滤装臵；
● 为提高对流换热程度，可在设备的适当位臵装紊流器。
21
常用冷却方法的设计要求
蒸发冷却：
● 保证沸腾过程处于核态沸腾； ● 冷却剂的沸点温度低于设备中发热元器件的最低允许工作温 度； ● 直接蒸发冷却时，电子元器件的安装应保证有足够的空间， 以利于气泡的形成和运动； ● 冷却液应粘度小、密度高、体积膨胀系数大、导热性能好， 且具有足够的绝缘性能； ● 封闭式蒸发冷却系统应有冷凝器，其二次冷却可用风冷或液 冷；冷却系统应易于维修。
12
常用冷却方法的选择及设计要求
电子设备的冷却方法包括自然冷却、强迫空气冷却、强迫 液体冷却、蒸发冷却、热电致冷(半导体致冷)、热管传热和其 它冷却方法（如导热模块－TCM技术、冷板技术，静电致冷等）。
其中自然冷却、强迫空气冷却、强迫液体冷却和蒸发冷却是常
用的冷却方法。
13
设计条件
冷却方法的确定
17
冷却方法的选择示例
由于体积功率密度很小，而热流密度值与自然空气冷却的
最大热流密度比较接近，所以不需要采取特殊的冷却方法，而 依靠空气自然对流冷却就足够了。 若采用强迫风冷，热流密度为3000W/m2，因此，采用风冷 时，可以把机柜表面积减小到0.1m2(自然冷却所需的表面积为
0.75m2)。
18
器件工作时内部的结温不能超过降额使用后允许的结温。
28
集成电路、晶体管、二极管结温与环境温度的关系
器 件 说 明 结温 TJ=TA+30
小功率 晶体管
中功率
小功率 二极管 中功率 门数不大于30或晶体管不大于120(不包括存储器) 集成电路 门数大于30或晶体管大于120(包括所有存储器) 低功耗TTL及 CMOS电路 门数不大于30或晶体管不大于120(不包括存储器) 门数不大于30或晶体管不大于120(不包括存储器)
《电子热设计》课件
总结与展望
总结课程内容，展望未来的学习和应用方向。
学习资源推荐
推荐相关的学习资源和进一步的学习路径。
介绍各种用于热管理的工具和策略。
3 热管理的实践案例
分享一些成功的热管理实践案例。
热设计实践
1
热设计的流程
详细说明进行热设计的步骤和流程。
热设计的注意事项
2
提供一些在热设计过程中需要注意的
关键点。
3
热设计的实例分析
通过实际案例分析，展示热设计的关键知识和技能。
探讨计算热传导的数学 公式和方法。
3 热传导方程
讲解热传导方程的推导 和应用。
热辐射基础
1 热辐射定义
了解热辐射的基本概念和特性。
2 热辐射功率密度
介绍热辐射功率密度的计算和应用。
3 热辐射强度
讨论热辐射强度对电子热设计的影响。
热管理
1 热管理的重要性
解释为什么热管理在电子设备设计中非常关键。
2 热管理的工具和策略
电子热设计
通过本课程，你将学习电子热设计的背景、基础知识和实践案例，以及热传 导和热辐射的重要性和应用。
课程简介
背景介绍
了解电子热设计的背景和涉及的领域。
学习内容概述
概述本课程涵盖的知识和技能。
课程目的
明确本课程的目标和意义。
热传导基础
1 热传导定义
介绍热能在固体、液体 和气体中的传导原理。
2 热传导公式
第二讲电子设备热设计方法
Rh 1 (hA) [ C W ]
rh 1 h [m2 C W ]
强制对流 自然对流
Nu
hd
Nu CRem Pr n
Nu C(Gr Pr )n
柯尔朋传热因子 紧凑式换热面
j Nu Pr 1/3 Re
j CRem
h jucp Pr 2/3
表面换热系数Leabharlann 算一、自然对流换热的准则方程
Nu CRan
第二讲 电子设备热设计基本知识
一热源和耗散功率
电子设备只要通电就有发热，是热源，其 产生的热量等于功率的耗散。耗散功率（发 热功率）是热设计的基础。可以采用试验和 理论计算来确定。一般都增加安全系数，保 守取值，适当取高些。
热设计一般是取最恶劣工况：最高环境温 度和最大热耗散的情况下设计。
耗散功率计算：
式中：Nu —— 努谢尔特数，Nu=hD/λ； Ra —— 瑞利数，Ra=Gr·Pr； Gr —— 格拉晓夫数，Gr=βgρ2D3Δt/μ2； Pr —— 普朗特数；
C、n —— 由表2-1查得，定性温度取壁面温度与流体温度的算术平均值； h —— 自然对流换热系数， W/(m2·℃)； D —— 特征尺寸， m； λ —— 流体的导热系数， W/(m·℃)； β —— 流体的体积膨胀系数， ℃-1； g —— 重力加速度， m/s2； ρ —— 流体的密度， kg/m3； μ —— 流体的动力粘度， Pa·s；
P=VI 理论上是可以这样计算的。实际大多是元器件
厂家提供的。第15-19页 1有源器件 2无源器件
有热源如果任由它发热不去考虑散热，那么有 可能温度会超过元器件工作温度。
因此有必要人为构造散热途径。 比如电加热器烧干。 接下来我们看看散热是怎么回事。 热量传递有三种方式：导热；对流和热辐射
《热设计讲座》课件
热设计对可持续发展的 影响
探索热设计对环境可持续性和 能源节约Βιβλιοθήκη 影响。6. 热设计未来趋势
热设计未来趋势的展望
展望热设计在未来的发展方向和趋势。
热设计未来趋势的挑战
探讨热设计在面临的挑战和解决方案。
7. 总结
1 热设计的重要性
总结热设计在工程领域 中的重要性和应用。
2 热设计的发展趋势 3 热设计的未来展望
回顾热设计的发展历程， 探索未来可能的发展方 向。
展望热设计在未来科技 和创新领域的潜力和可 能性。
4. 热设计技术
1
热设计技术的种类
介绍不同类型的热设计技术，如热交
热设计技术的选择标准
2
换、热保护等。
了解在选择热设计技术时需要考虑的
关键因素。
3
热设计技术的创新
探讨当前热设计技术的创新趋势和未 来发展。
5. 热设计实例分析
热设计实例分析的方法
通过案例分析，了解热设计在 现实世界中的应用方法。
热设计实例分析的结果
《热设计讲座》PPT课件
欢迎参加《热设计讲座》！本课件将介绍热设计的概述、基本原理、应用、 技术、实例分析、未来趋势以及总结。让我们一起探索热设计的奥秘。
1. 热设计概述
热设计的定义
了解热设计的概念和作用，以及在现实生活 中的应用。
热设计的背景
探索热设计的历史和发展背景，为我们后续 的学习奠定基础。
2. 热设计的基本原理
热传导原理
深入了解热能是如何通过物 质中的分子传导的。
热辐射原理
探索热能是如何以电磁辐射 的形式传播的。
热对流原理
理解热能是如何通过流体的 对流传输的。
最全的热设计基础知识及flotherm热仿真ppt课件
度（W/m·
K,此
处的K可用°C代替）。它是表征材料导热能力优劣
的物性参数。在30 °C时，空气的导热系数为
0.027 W/m·°C ，因此可以利用空气夹层来绝热，
通常把导热系数小于0.23 W/m·°C 的材料称为
绝热材料。
热传导
热传导
定义热流密度：
Q
q
A
W/m2
10
万
小
时
）
图2：电子产品故障主要原因
Figure 2: Major Causes of Electronics Failures
20%振动
55%温度
6%粉尘
19%潮湿
(Source : GEC Research)
资料来源：GEC研究院
(Source : US Air Force Avionics Integrity Program)
系，反映流体物理性质对对流传热过程的影响。
格拉晓夫数：Gr
L3V g T
2
浮升力
粘性力
它反映自然对流程度的特征数。 当格拉晓夫数相当大，
约 Gr>10E9 时，自然对流边界层就会失去稳定而从层
流状态转变为紊流状态 。所以格拉晓夫数Gr在自然对
流过程中的作用相当于雷诺数 Re 在受迫对流过程中的
0.05W/cm2 时有效 。强迫风
冷可使表面对流换热系数大
约提高一个数量级，如在允
许温差为100 ℃时，风冷最
大可能提供1W/cm2 的传热
能力。
电子设备冷却方法的选择
电子设备中常用的冷却方法能够达到的对流换热系数及表面热流密度值
如下表所示：
电子产品热设计原理和原则培训课件
01
服务器热设计案例
Dell PowerEdge R740
02
热设计挑战
服务器内部通常有多颗处理器和多个硬盘，发热量大，且需要保证长时
间稳定运行，对散热要求极高。
03
解决方案
Dell PowerEdge R740采用了高效的风道设计和多风扇散热系统，同时
使用了液冷技术，如冷板式和浸没式液冷，来将热量快速散发出去。
自然散热技术是指利用自然对流和辐射散热的方式，将电子产品的热量传递到周围 环境中。
自然散热技术适用于低功耗、低发热的电子产品，如小型电子设备、遥控器等。
自然散热技术的优点是结构简单、成本低、可靠性高，缺点是散热效果受环境温度 影响较大，散热效率较低。
强制风冷散热技术
强制风冷散热技术是指通过风扇等机 械通风装置，强制将冷空气吹向发热 元件，将热量带走并排放到周围环境 中。
详细描述
导热是热设计中的基本原理之一，主要通过固体材料的晶格结构和自由电子的 运动传递热量。热量从高温向低温传递，传递速率与材料的导热系数成正比。 常见的导热材料包括金属、石墨烯、金刚石等。
对流换热原理
总结词
对流换热是指流体与固体表面之间的热量传递过程，涉及到流体中质点的宏观运 动和流体分子与固体表面之间的微观相互作用。
电子产品热设计的目标与原则
目标
确保电子产品在工作过程中温度 处于安全范围内，防止过热，保 证稳定运行。
原则
合理选择散热方式、优化散热结 构、降低热阻、提高散热效率。
电子产品热设计的基本流程
选择散热方式
根据实际情况选择自然散热、 强制散热或热管散热等散热方 式。
仿真与优化
利用热仿真软件对设计进行仿 真，分析散热效果，并根据仿 真结果进行优化。
电子技术培训课程-电子设备热设计、热分析及热测试
电子设备热设计与热分析随着微电子技术及组装技术的发展，现代电子设备正日益成为由高密度组装、微组装所形成的高度集成系统。
电子设备日益提高的热流密度，使设计人员在产品的结构设计阶段必将面临热控制带来的严酷挑战。
热设计处理不当是导致现代电子产品失效的重要原因，电子元器件的寿命与其工作温度具有直接的关系，也正是器件与PCB中热循环与温度梯度产生热应力与热变形最终导致疲劳失效。
而传统的经验设计加样机热测试的方法已经不适应现代电子设备的快速研制、优化设计的新需要。
因此，学习和了解目前最新的电子设备热设计及热分析方法，对于提高电子设备的热可靠性具有重要的实用价值。
培训收益：通过本课程的学习，学员能够了解---1. 电子设备热设计要求及热设计方法2. 电子设备冷却方法的选择及主要元器件的热特性3. 电子设备的自然冷却及强迫风冷设计4. 散热器的设计及优化5. 热电致冷、热管散热器等高效散热部件的原理及应用6. 电子设备热性能评价及改进方法7. 计算机辅助热分析原理8. 电子设备热设计工程应用实例【主办单位】中国电子标准协会培训中心【协办单位】深圳市威硕企业管理咨询有限公司【时间地点】2014年7月27- 28日上海【培训费用】3200元/人（含资料、课时、午餐、证书费）住宿可统一安排，费用自理。
【培训对象】各相关企业及科研所院所热设计工程师、热测试工程师﹙含热实验室﹚、结构可靠性设计工程师、各种电源工程师及功率元器件研发工程师等。
培训时间：两天，共14小时一、电子设备热设计要求1.热设计基本要求2.热设计应考虑的问题二、电子设备热分析方法1.热分析的基本问题2.传热基本准则3.换热计算4.热电模拟5.热设计步骤三、冷却方法的选择1.冷却方法的分类2.冷却方法的选择3.冷却方法选择示例4.冷却技术的极限四、电子元器件的热设计及热分析1.热设计流程2.常用器件的热特性3.散热计算4.功率器件的ICEPAK热分析五、电子设备的自然冷却设计1.热安装技术2.热屏蔽和热隔离3.印制板的自然冷却设计4.传导冷却5.电子设备机柜和机壳的设计六、散热器的设计及选型1.概述2.散热器的传热性能3.散热器设计4.散热器在工程应用中的若干问题七、风冷系统设计及风机选型1.强迫空气冷却的热计算2.通风机3.系统压力损失及计算4.风冷系统的设计5.通风管道的设计6.风冷机箱和机柜设计八、电子设备用冷板设计1.概述2.冷板的结构类型及选用原则3.冷板的换热计算4.冷板的设计步骤九、热电制冷器1.概述2.热电制冷的基本原理3.制冷器冷端净吸热的基本方程4.热电制冷器的两种设计方法5.多级热电制冷器的性能6.热电制冷器工程设计实例7.热电制冷器的结构设计8.热电制冷器在热控制中的应用十、热管散热器的设计1.概述2.热管的类型及其工作原理3.普通热管的传热性能4.热管设计十一、电子设备的热性能评价1.热性能评价的目的与内容2.热性能草测3.热性能检查项目4.热性能测量及通过标准十二、Icepak热分析软件的应用1.Icepak软件功能简介2.建模过程3.典型散热部件的Icepak分析4.Icepak应用实例十三、热设计实例1.电子设备热分析软件应用研究2.典型密封式电子设备结构设计3.功率器件热设计及散热器的优化设计4.户外机柜的散热设计实例5.高热流密度水冷机柜设计方案6.某3G移动基站的热仿真及优化7.电子设备热管散热技术现状及进展8.吹风冷却时风扇出口与散热器间距离对模块散热的影响9.实验评估热设计软件一、讲师介绍：韩西林老师工学博士热设计资深专家经验：1993至今一直从事电子设备热设计工作。
技术讲座-热设计基础
【技术讲座】热设计基础（一）：热即是“能量”，一切遵循能量守恒定律在开发使用电能的电子设备时，免不了与热打交道。
“试制某产品后，却发现设备发热超乎预料，而且利用各种冷却方法都无法冷却”，估计很多读者都会有这样的经历。
如果参与产品开发的人员在热设计方面能够有共识，便可避免这一问题。
下面举例介绍一下非专业人士应该知道的热设计基础知识。
“直径超过13cm，体积庞大，像换气扇一样。
该风扇可独立承担最大耗电量达380W的PS3的散热工作”。
以上是刊登在2006年11月20日刊NE Academy专题上的“PlayStation3”（PS3）拆解报道中的一句话。
看过PS3内像“风扇”或“换气扇”一样的冷却机构，估计一定会有人感到惊讶。
“怎么会作出这种设计？”“这肯定是胡摸乱撞、反复尝试的结果。
”“应该运用了很多魔术般的最新技术。
”“简直就是胡来……”大家可能会产生这样的印象，但事实上并非如此。
PS3的冷却机构只是忠实于基础，按照基本要求累次设计而成。
既没有胡摸乱撞，也不存在魔术般的最新技术。
在大家的印象里，什么是“热设计”呢？是否认为像下图一样，是“一个接着一个采取对策”的工作呢？其实，那并不能称为是“热设计”，而仅仅是“热对策”，实际上是为在因热产生问题之后，为解决问题而采取的措施。
如果能够依靠这些对策解决问题，那也罢了。
但是，如果在产品设计的阶段，其思路存在不合理的地方，无论如何都无法冷却，那么，很可能会出现不得不重新进行设计的最糟糕的局面。
而这种局面，如果能在最初简单地估算一下，便可避免发生。
这就是“热设计”。
正如“设计”本身的含义，是根据产品性能参数来构想应采用何种构造，然后制定方案。
也可称之为估计“大致热量”的作业。
虽说如此，但这其实并非什么高深的话题。
如果读一下这篇连载，学习几个“基础知识”，制作简单的数据表格，便可制作出能适用于各种情况的计算书，甚至无需专业的理科知识。
第1章从“什么是热”这一话题开始介绍。
热设计讲座
【热设计讲座】（一）常用词汇和三种传热方式作者简介国峰尚树1977年毕业于早稻田大学理工学部机械工学科，同年进入冲电气工业，从事电子交换机、迷你电脑、个人电脑、打印机、FDD等产品的冷却方式的开发和热设计。
之后还曾参与开发电子产品热分析软件XCOOL（后更名为Star-Cool），CAD/CAM/CAE及综合PDM的构筑等。
2007年离开该公司，成立了Thermal Design Laboratory，以电器企业为中心，开展产品的热设计、工艺改革顾问、培训等工作。
传热有三种基本方式下面来看热的转移。
热转移的本质是物体内部的分子、原子、电子的动能向外传播。
传热有“热传导”、“热对流”和“热辐射”三种方式（图2）。
这三种方式有层次之分，并非平等关系。
大致可以区分为“物质传热”和“电磁波传热”两种。
热传导和热对流属于前者，是利用物质的振动传递热量的现象，热辐射属于后者。
图2：微观的热移动传热方式有热传导、热对流、热辐射三种。
热传导与热对流都是利用物质传热，热辐射则是通过电磁波传热。
首先，热传导依靠的是晶格振动的传播，以及金属中自由电子的移动。
金属的电导率与热导率成正比。
这是因为二者的原理相同，自由电子的移动越容易，金属就越容易导电、导热。
因此，自由电子越容易移动（电阻小）的金属，热导率越高。
热对流是利用流体的运动传热。
每一个分子的运动其实都是热运动，热运动会产生热能，在不受拘束的流体中，热能是以整体的形式流动。
第三个方式热辐射是经由电磁波的移动，无需物质。
太阳热穿越宇宙空间抵达地球的现象就属于这种方式。
携带电荷的粒子振动会产生电磁场，释放出电磁波。
只要温度不是绝对零度，任何物体都在振动，物质必然释放电磁波。
某种物质释放的电磁波在抵达温度较低的物体后，会激发振动，转化成热能。
因此可以说，热辐射是在与可见的所有空间进行热交换。
热传导与热对流不是独立的现象。
比如，把空气封闭在狭小的空间内时，空气将停止运动（热传导），但开放空间后，空气将恢复运动（热对流）。
电子设备热设计基础(电子部讲课做讲义用1)
需要用风机或泵来克服这种压降。流速越高，表面
越不规则，则压降越大。
在强迫对流系统中，冷却剂流动通路的几何形状及
系统压降是重要的问题。
热设计的有关概念
辐射：是真空中进行传热的唯一方式，它是量子从热体
（辐射体）到冷体（吸收体）的转移。
例如接近火炉坐能感到热。
热路与电路
R1
R=U/I
U Rt1
I
R2
R3
自然对流 natural
对流方式
强迫对流 forced
层流：流线有规则，大都发生在贴近
壁面附近的流层。 （导热产生的换热为主）
紊流：层流底层以外（边界层以外）
所发生的流体不规则流动。
对流换热的基本定律
对流换热系数
对流传热系数的数值范围
过 程 h/[W(m2k)] 1～10 200～1000 20～100 500～3500 1000～15000 2500～3500 5000－25000 自然对流 空气 水 强迫对流 气体 高压水蒸气 水 水的相变换热 沸腾 蒸汽凝结
隔热材料保温, 可控式恒温 ，关键技术是温度的控制 （4）热管传热
热设计理论基础－传热学
传热的基本方式有三种：传导、对流和辐射、一般来
说，这三种形式在电子系统的热传输中分别占60%，20%
和20%。
导
热
因物质的原子和分子之间的随机运动而导致的从高能 级→低能级的一种能量传输过程。简单地说：导热的产生 必需具备二个条件： t 和相互接触。 导热的基本定律：Fourier 定律
S—应力比或降额因子。
热设计目标的确定
工程上为简便计算，通常采用元器件经降额设计 后允许的最高温度值做为热设计目标。 双极型数字电路降额准则
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四、热阻的确定
确定热阻的步骤
RMA
亿腾科技
a. 根据对每个元器件的可靠性要求，确定元器件的最高 允许温度 b. 确定设备或冷却剂的最高环境温度 c. 根据上述两条规定，确定每个元器件的允许温升 d. 确定每个元器件冷却时所需的热阻
热阻的计算
t Rt
式中Rt 为整个传热面积上的热阻，℃/W。 a. 平壁导热热阻： Rt A 1 b. 对流换热热阻： Rt hc A
电子设备热设计/热分析工程实践
深圳亿腾科技
RMA
亿腾科技
为什么要掌握热设计技术
因为： 体积缩小，功率增加，热流密度急剧上升
热设计是器件、设备和系统可靠性设计的 一项主要内容
散热问题是制约设备小型化的关键问题
RMA
亿腾科技
热分析的两个主要目的
1. 预计各器件的工作温度，包括环境温
度和热点温度 2. 使热设计最优化，以提高可靠性
RMA
亿腾科技
第三章 冷却方法的选择
3.1 冷却方法的分类
3.2 冷却方法的选择
3.3 冷却方法选择示例
RMA
亿腾科技
3.1 冷却方法的分类
按冷却剂与被冷元件之间的配置关系
a. 直接冷却 b. 间接冷却
按传热机理
a. 自然冷却（包括导热、自然对流和辐射换热的单独 作用或两种以上 换热形式的组合） b. 强迫冷却（包括强迫风冷和强迫液体冷却等） c. 蒸发冷却 d. 热电致冷 e. 热管传热 亿腾科技 f. 其它冷却方法
d 气体： R 1 1.77 R
d 液体： R 1 10.3 R
其中R为弯管曲率半径。
3
RMA
亿腾科技
四、辐射换热计算方程
两物体表面之间的辐射换热计算公式为：
T1 4 T2 4 5.67 AF12 xt 100 100 1 xt 1 1 1 1 2
RMA
亿腾科技
应考虑太阳辐射给电子设备带来的热问题，应 有相应的防护措施
应具有防止诸如燃料油微粒、灰尘、纤维微粒 等沉积物和其它老化的措施，以免增大设备的 有效热阻，降低冷却效果 应尽量防止由于工作周期、功率变化、热环境 变化以及冷却剂温度变化引起的热瞬变，使器 件的温度波动减小到最低程度 应选择无毒性的冷却剂；直接液体冷却系统的 冷却剂应与元器件及相接触的表面相容，不产 生腐蚀和其它化学反应
导热基本定律——傅立叶定律 t A x
式中：Φ —— 热流量，W； λ—— 导热系数，W/(m· ℃)； A —— 垂直与热流方向的横截面面积，m2； t / x —— x方向的温度变化率，℃/m。 负号表示热量传递的方向与温度梯度的方向相反。 亿腾科技
RMA
二、对流
可分为自然对流和强迫对流两大类
式中： ρ —— 流体的密度， kg/m3；
u —— 流体流速，m/s；
μ —— 流体的动力粘度， Pa· s； D —— 特征尺寸，m。
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当管道为短管（即管长l与管径d之比小于50）或弯 管时，前表中的紊流准则方程右端应乘以相应的修正系数 短管修正系数εl如下图所示
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弯管修正系数εR为
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第二章 电子设备热设计方法
2.1 热设计的基本问题
2.2 传热基本准则 2.3 换热计算
2.4 热电模拟
2.5 热设计步骤
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2.1 热设计的基本问题
耗散的热量决定了温升，因此也决定了任一给 定结构的工作温度 热流量是以导热、对流和辐射传递出去的，每 种传热形式所传递热量与其热阻成反比 在稳态条件下，存在着热平衡 热流量、热阻和温度是热设计中的重要参数 所采用的冷却系统应该是最简单又最经济的， 并适用于特定的电气和机械设备、环境条件， 同时满足可靠性要求
1.2 热设计应考虑的问题
应对冷却方法进行权衡分析，使设备的寿命周 期费用降至最低，而可用性最高 热设计必须与维修性设计相结合，提高设备的 可维修性 设备中关键的部件或器件，即使在冷却系统某 些部分遭到破坏或不工作的情况下，应具有继 续工作的能力 对于强迫空气冷却，冷却空气的入口应远离其 它设备热空气的出口，以免过热 舰船用电子设备，应避免在空气的露点温度以 下工作；机载设备宜采用间接冷却
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热设计应与其它设计（电气设计、结构设计、可 靠性设计等）同时进行，当出现矛盾时，应进行 权衡分析，折衷解决 热设计中允许有较大的误差 在设计过程的早期阶段应对冷却系统进行数值分 析和计算
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2.2 传热基本准则
凡有温差的地方就有热量的传递。热量的传递 过程可分为稳定过程和不稳定过程两大类 传热的基本计算公式为：
第一章 电子设备热设计要求 第二章 电子设备热设计方法
第三章 冷却方法的选择
第四章 电子元器件Байду номын сангаас热特性 第五章 电子设备的自然冷却设计 第六章 电子设备用肋片式散热器
第七章 电子设备强迫空气冷却设计
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课程具体章节
第八章 电子设备用冷板设计 第九章 热电致冷器
第十章 热管散热器的设计
第十一章 电子设备的热性能评价 第十二章 现有电子设备热性能的改进 第十三章 计算流体及传热分析
At
式中：Φ —— 热流量，W； Κ—— 总传热系数，W/(m2· ℃)； A —— 传热面积，m2； Δt —— 热流体与冷流体之间的温差，℃。
热量传递的三种基本方式：导热、对流和辐射
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一、导热
导热的微观机理
气体的导热是气体分子不规则运动时相互碰撞的结果；金属 导体中的导热主要靠自由电子的运动完成；非导电固体中的导热 是通过晶格结构的振动来实现；液体中的导热主要依靠弹性波。
5. 由元器件的内热阻确定其最高表面温度。
6. 确定器件表面至散热器或冷却剂所需的回路总热阻。
7. 根据热流密度和有关因素，对热阻进行分析和初步分配。
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8. 对初步分配的各类热阻进行评估，以确定这种分配是否 合理。并确定可以采用的或允许采用的冷却技术是否能 够达到这些要求。 9. 选择使用于回路中每种热阻的冷却技术或传热方法。 10. 估算所选冷却方案的成本，研究其它冷却方案，进行对 比，以便找到最佳方案。 11. 热设计的同时，还应考虑可靠性、安全性、维修性及电 磁兼容设计。
式中： θ —— 热流密度，W/m2； A —— 换热面积，m2； C —— 系数，由表2-1查得； D —— 特征尺寸，m； Δt —— 换热表面与流体（空气）的温差，℃。
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三、强迫对流换热的准则方程
管内流动及沿平板流动的准则方程
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表中的雷诺数Re定义为:
uD Re
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热设计应满足对冷却系统的限制要求
供冷却系统使用的电源的限制（交流或 直流及功率） 对强迫冷却设备的振动和噪声的限制
对强迫空气冷却设备的空气出口温度的 限制 对冷却系统的结构限制（包括安装条件、 密封、体积和重量等）
热设计应符合与其相关的标准、规范规定 的要求
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表 自 然 对 流 准 则 方 程 中 的 和 值
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2-1 C n
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二、自然对流换热的简化计算
对在海平面采用空气自然冷却的多数电子元器 件或小型设备(任意方向的尺寸小于600mm)，可 以采用以下简化公式进行计算
/ A 2.5Ct1.25 / D 0.25
应根据所要求的设备可靠性和分配给每个元器件的失效率， 利用元器件应力分析预计法，确定元器件的最高允许工作温度和 功耗。
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热设计应满足设备预期工作的热环境的要求
电子设备预期工作的热环境包括： 环境温度和压力（或高度）的极限值
环境温度和压力（或高度）的变化率
太阳或周围其它物体的辐射热载荷 可利用的热沉状况（包括：种类、温度、压 力和湿度等） 冷却剂的种类、温度、压力和允许的压降
第十四章 热设计实例
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第一章 电子设备热设计要求
1.1 热设计基本要求
1.2 热设计应考虑的问题
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1.1 热设计基本要求
热设计应满足设备可靠性的要求
大多数电子元器件过早失效的主要原因是由于过应力（即电、 热或机械应力）。电应力和热应力之间存在紧密的内在联系，减 小电应力（降额）会使热应力得到相应的降低，从而提高器件的 可靠性。如硅PNP型晶体管，其电应力比为0.3时，高温130℃的基 本失效率为13.9×10-6h-1，而在25℃时的基本失效率为2.25× 10-6h-1，高低温失效率之比为6:1。冷却系统的设计必须在预期的 热环境下，把电子元器件的温度控制在规定的数值以下。
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c. 辐射换热网络法 任意两表面间的辐射网络如下图所示：
图中Eb1和Eb2分别代表同温度下的表面1和表面2的黑体 辐射力；J1和J2分别为表面1和表面2的有效辐射。
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2.5 热设计步骤
1. 熟悉和掌握与热设计有关的标准、规范，确定设备（或 元器件）的散热面积、散热器或冷却剂的最高和最低环境 温度范围。 2. 确定可利用的冷却技术和限制条件。 3. 对每个元器件进行应力分析，并根据设备可靠性及分配 给每个器件的失效率，确定每个器件的最高允许温度。确 定每个发热元器件的功耗。 4. 画出热电模拟网络图。