电子设备热设计技术

电子设备热控制目的
组件和设备的热流密度增长趋势 为芯片级、元件级、组件级及系统级提供良好的 热环境 防止电子元器件的热失效 保证芯片级、元件级、组件级及系统级的热可靠性
电子设备热环境
环境温度和压力（或高度）的极限值及变化率 太阳或周围物体的辐射值 可利用的热沉 冷却剂种类 地面设备：周围空气温度、湿度、气压、空气流 速，周围物体形状和黑度，日光照射 机载设备：飞行高度、飞行速度、安装位置，有 无空调舱，周围空气温度、速度等
hc A(t wc t f )
Gr Pr
竖放平 板柱体
流态 层流 紊流 层流 紊流 层流
C
0.59
0.10 0.54 0.15 0.27
n
1/4
1/3 1/4 1/3 1/4
特征尺寸
＜109
＞109
高度
＜2×107 水平板 (热面朝上) ＞2×107 水平板 3×105 (热面朝下) ~ 3×1010

空间热阻
Eb1
Er1
1 1 1 A1
Er
Eb1 Er
11 1A 1
12
两表面间
A 11 2
1
Er 2 Er 2
A 11 2 1
1 2 2 A2
Er 1 Er 2
12 A 1
1
Eb1
Er1
1 1 1 A1
Eb 2
热流体
固体壁(平壁或圆筒)
Rsq Rsb Rsb Rsc
Rsb
kb b
1
(PCB 方阻) (印制线方阻 )
Rsc kc1 c
: 印制线占PCB面积百分比
(1) B
hc 0
t max
t max
RsqL 8B
L
(2) (3)
hc 0
2 hc LB
1 1 0 .5 ch2 hRsq 0.5 L
紊流 Re 105
强 Βιβλιοθήκη Baidu 对 流 换 热 计 算
层流 R 10
e 5
0.8 N 0 . 032 R 准则方程 uf f
0.5 准则方程 Nuf 0.66Ref hc Atw t f
定性温度: t f 0.5 t 'f t 'f'


特征尺寸: 流体流动方向板或柱体的长度L
2b
)
短窄条热源 tc tc1 tc 2 tc3
其中
ma ) b sin( b t1 2 2 k ac m2 sin(md ) c b t 2 m2 2 2 k ab m 1
nd ) sin(ma ) 2 sin( c b t3 2 2 k ad m1 n1 m n[(m ) 2 (n ) 2 ] b c
正方形取边长 圆盘取0.901 狭长条取短边 矩形L=2ab/(a+b)
4 紊流 Re 10
管内流动
0.8 0.4 准则方程 Nuf 0.023Ref P rf
强 迫 对 流 换 热
e 2300 R 层流
hc A(t wc t f )
准则方程 Nuf 1.86 Ref P
1
1
平行平板间的辐射换热
12 5.67 xt A[(
xt
1
T1 4 T ) ( 2 )4 ] 100 100
1
1
1 1
2
5.67A

T1 100

4


T2 100
4

(w)
黑度ε: 主要取决于物体表面状态
辐 射 换 热 计 算
热阻网络计算法 (两个表面以上的辐射计算) 表面热阻
tf 2
2

1 1 hc1A kA hc 2 A2 1 1
肋效率：

thml ml
热 阻
导热热阻 对流热阻 辐射热阻 接触传热
Rt

kA
( C W )
Rt
1 hc A
(C W )
Rt

1 hcf A
( C W )

k f Av t w1 t w 2
B
2.81W
RSG
D
3.03W
55℃
电子设备强迫空气冷却
单个元件风冷 整机抽风冷却 整机鼓风冷却
大机柜中屏蔽盒的通风冷却
出风口
PCB 大机柜
外部对流
外部辐射 内部对流 空气入口 滤尘器 风机
热计算
hc JC p G

2.7 0.9 8 Re
2 Cp 3 k
当 200 Re 1800
tf1
t w1 hc1
k
冷流体
hc 2 t w2
tf 2

传 热 计 算

o
tf1

t w1

kA

t w2
x
1
1 hc 1 A
1 kL hc 1A
tf 2
1
k c At f 1 t f 2
h
1 c 2A
t
f1
tf 2
hc 2 A
tf1
hc1
tw1
k
hc 2

t w2
圆 筒 壁
kc Aa t w1 t w 2
t w1 t w 2 v 2 k1 Ac v 2 k 2 Ac
v
电子设备自然冷却设计技术
自然冷却设备的结构因素
机壳热设计 机壳表面处理 机壳通风孔面积
A0
0 7.410 5 Ht 1.5
(cm 2 )
PCB自然冷却热设计
接触表面的氧化程度和清洁度
接触材料的导热系数
减小接触热阻的方法
在接触表面涂一薄层导热脂（膏） 加一薄紫铜片或延展好的高导热系数材料 提高界面间的接触压力 200N cm 加低熔点合金（铟合金）
2

导热的数值分析
有限差分法 有限元素法
有限差分法求解步骤
（1）构成差分格式 （2）讨论与该差分格式对应的线形代数方程 解的唯一性 （3）求解代数方程组，得到区域内的温度分布
hc 0 hc 0
t max
BRsq 8L
1
1
1 ch1.57 L B

(4)
t max
E F
Rsq 2 hc LB
1 0.0785 E F

2 0.5 ch 2 hc Rsq L 0.5 B 1 2 0.5 ch 2 hc Rsq B 0.5 L
对流换热的数值计算
连续方程 能量方程 动量方程
辐射换热的基本概念
吸收率 反射率 穿透率
辐射换热的基本定律
普朗克定律
四次方定律
基尔霍夫定律 实际物体的辐射和吸收 黑体的辐射 角系数
交叉线法
F 12 交叉线之和 不交叉线之和 2 表面 1 断面的长度
有效辐射 E1 1 Er 1 ( 1) r 1
良好的经济性
冷却方法选择（1）
103 4 2 102 6 4 温升℃ 2 10 4 2 1 10-2
2
4
6 8
10-1
2
4 6
8 24 6 100
8
10
2
表面热流密度 W/cm2
冷却方法选择（2）
空气流速 3~15m/S
流体流速 0.3~1.5m/S
空气
介质液体 空气 介质液体 水 介质液体
自然散热
舱船设备：周围空气温度、湿度，有无淡水，舱 室温度，日照情况等
热设计基本要求
满足可靠性要求 满足热环境的要求 满足对冷却系统的限制要求
与电路设计同时进行
与维修性设计相结合，易维修 根据 ta、t y、MTBF、 尺寸、重量、冷却所需功、 经济性、安全性等，选择冷却方法
热设计基本原则
保证良好的冷却功能 保证可靠性 有良好的适应性 良好的维修性
2a--热源宽度，2b--窄条宽度，l--窄条长度 2d—窄条热源长度，2c—短条长度
典型微电路组装图
芯片结到外壳的传热
RCC
RCU RCH RCDO
C
2.52W
t2
t1
REU RCH
RCA R AL t3
t4
REP
RCB
RCD
REU RCH REU RCH RCDO
RCDA
A
3.24W
RKO
RCOB
有限元素法求解步骤
（1）区域离散化 （2）写出单元的泛函表达式 （3）构造每个单元内的插值函数 （4）求泛函极值条件的代数方程表达式 （5）构成代数方程组 （6）求解代数方程组
对流换热影响因素
流体流动发生的因素
流体流动的状态 流体的物理性质 换热面的几何形状和位置
对流换热系数
hc A(tw t f )

T1 4 100

T2 4 100
( w)
导 热
温度场 导热基本定律 单层平壁导热 导热热阻
t kA n
(w)

Rt
kA

(t w1 - t w2 )


kA
(w)
t w1 t w 2

(C ) w

单层圆筒壁导热
2kl (t w1 t w 2 ) r2 ln r1
( w)
多层平壁导热


t w1 t wi1
ki Ai
i 1
n
i
( w)
( t w1 - t wi 1 )
多层圆筒壁导热

i 1
n
2l 1 ri 1 ln ki ri
接触热阻的影响因素
接触表面接触点的数量、形状、大小及分布规律
接触表面的几何形状（波纹度和粗糙度）
非接触间隙的平均厚度 间隙中介质种类（真空、液体、气体等） 接触表面的硬度 接触表面的压力大小
对流换热现象 空气自然对流 气体强迫对流 水自然对流 水强迫对流 水沸腾 高压水蒸汽强迫对流 水蒸汽凝结 换热系数 3~10 20~100 200~1000 1000~15000 2000~25000 500~3500 5000~15000
对流换热计算
准则数
Nu
hc D k
名称
物理意义
换热强弱
电子设备热控制技术
电子设备热设计
热设计理论基础 蒸发冷却
热设计基本原理
自然冷却
热电致冷
热管传热
强迫风冷
液体冷却
热测试技术
电子设备热设计参考资料
1、《电子设备热控制与分析》 2、《电子设备结构设计原理》 3、《电子设备冷却技术》
4、《微电子设备的换热》
5、《GJB/Z27电子设备可靠性热设计》 6、《Thermal computation of Electronic Equipment》 7、《电子机器的热对策》（日文）
惯性力 粘性 力
浮升力惯性力
(努谢尔特数）
Re
Gr
wD

(雷诺数）
(格拉晓夫数）
tgD3 2
粘性力 2
P r
(普朗特数）
流体特性参数
定性温度：
特征尺寸
t m、 tf
f L、H、D、De 4 U
自然对流换热计算
准则方程
n Num c Gr P r m
o
r1
tf 2
r2
d2 L 2 k n d1
x
tf1

t w1
1 hc 1 A
1 hc 1A 1
t w2
1 hc 2 A
1 c 2 A2
l
tf 2
(w)
1 L l d2 2 k n d h
1

hc1
k
tf1
t w2
hc 2 tf 2
A2
肋 壁 传 热
t w1 A1
tf1
t w1
t w2
t f 1 t f


半导体用散热器热计算
tj

Rb
Rb
tf Rf
ta
(1) 最大功耗 max
(2) t jmax
(3) R b Rs Rc
1 (4) R f hA
集成电路的热分析
离散热源产生的收缩效应

T0 Tj Tc
T0 Tc
表面温度
Tj
（1）无限大的导热介质上的圆热源 （2）有限大的导热介质上的圆热源
强迫对流
蒸发冷却 水 1.163 11.63 116.3 1163 11630 传热系数W/m2℃
电子设备热设计理论基础
传热学 ( 传热计算) 流体力学 ( 阻力计算) 导热
kL (t w1 t w2 )
(w)
对流
辐射
hc A(tw t f ) (w)
5.67A
（3）长窄条热源在有限导热介质上 （4）短而窄热源在有限导热介质上
收缩效应
无限大圆形导热介质 有限大圆形导热介质
tc 2 r1k
r1 1.5 tc (1 ) r2 2 r1k
]
r1-热源半径， r2-圆柱半径
长窄条热源
1 tc ln[ lk sin(a
印制线（导体）尺寸的确定 PCB上元器件热安装技术
采用散热PCB（导热条、导热板、夹芯板） 粘接技术 尽量利用DIP的引线导热 冷热分区排列 元件排列方向有利于气流流动与冷却（阻力） 减小元件热应变的安装技术 导轨热设计
PCB热计算
均匀热负荷导热条热计算
tmax
L 2 kA c
普通PCB热计算
hc Atwc t f

d rf l
定性温度: 流体平均温度 t f 0.5 t 'f t 'f' 特征尺寸: 管子内径或当量直径 l 50 注:上述公式或适用于直管、长管 d 否则要乘相应修正系数



1
3

u f 0.14 uw

沿平板流动（或沿柱体轴线流动）