结构热设计基本理论.
三维立体封装(3D)结构与热设计面临的挑战
三维立体封装(3D)结构与热设计面临的挑战
王文利;梁永生
【期刊名称】《深圳信息职业技术学院学报》
【年(卷),期】2007(005)004
【摘要】本文介绍了三维立体(3D)封装的两种主要的结构形式,分析了3D封装的特点和优势,在对国内外有关3D封装研究成果总结的基础上,指出了3D封装结构与热设计所面临的挑战,提出了应对这些挑战所应研究与解决的问题,对于3D封装的结构与热设计研究具有一定的参考价值.
【总页数】4页(P40-43)
【作者】王文利;梁永生
【作者单位】深圳信息职业技术学院信息技术研究所,广东,深圳,518029;深圳信息职业技术学院信息技术研究所,广东,深圳,518029
【正文语种】中文
【中图分类】TP391.4
【相关文献】
1.BGA多芯片组件及三维立体封装(3D)技术 [J], 杨建生
2.X3D室内三维立体场景设计 [J], 张金钊;张金锐;张金镝
3.临摹教学法在3Ds max三维立体设计课程教学中的应用 [J], 朱小龙
4.3D堆叠封装硅通孔结构的电-热-结构耦合分析 [J], 于思佳;陈善圣;苏德淇;沈志鹏;张元祥
5.三维封装TSV结构热失效性分析 [J], 宋培帅;何昱蓉;魏江涛;杨亮亮;韩国威;王晓东;杨富华
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热设计方案
热设计方案引言热设计方案是在建筑、机械和工业设备等领域中广泛使用的一种设计方法。
它旨在确保系统的热处理和散热性能满足特定的要求，以保持设备运行在适宜的温度范围内。
本文将介绍热设计的基本原理、热设计的步骤以及常见的热设计方案。
热设计的基本原理热设计的基本原理是基于热传导和对流的热交换原理。
热传导是指热量从高温区域传递到低温区域的过程，而对流是指通过介质的移动以促进热量传递的过程。
热设计的目标是确保设备在运行时能够有效地排除产生的热量，以避免设备过热导致性能下降甚至损坏。
热设计的步骤1. 确定热处理的目标在进行热设计之前，需要确定热处理的目标。
这包括设定设备的最高工作温度、环境温度以及所需的散热量。
根据这些目标，可以确定所需的散热表面积和散热材料的选择。
2. 分析热源和散热途径接下来，需要分析设备产生的热源以及可能的散热途径。
热源可以是设备本身的能量消耗，也可以是外界环境中的热源。
散热途径可以包括传导、对流和辐射。
根据这些分析，可以确定需要采取的散热设计措施。
3. 设计散热系统根据分析结果，可以设计散热系统。
这包括选择适当的散热材料、确定散热表面积以及设计散热器结构等。
在设计散热系统时，需要考虑热量的传导路径和热量的传递方式，以确保散热系统的有效性。
4. 优化散热系统设计完成后，可以对散热系统进行优化。
这包括通过调整散热器结构、增加散热表面积等方式来提高散热效果。
优化的目标是使热设计方案更加经济高效，以满足设备的热处理需求。
常见的热设计方案1. 散热片散热片是一种常见的热设计方案，它通过扩大散热表面积来增加热量的散发。
散热片通常由铝或铜等导热材料制成，具有良好的散热性能。
散热片可以采用各种形状和结构，以适应不同的散热需求。
2. 散热风扇散热风扇是一种利用对流的热交换方式来散热的设计方案。
散热风扇通常被安装在散热片或散热器上，通过风扇的转动产生气流，加速热量的传递和散发。
散热风扇的选择需要考虑散热风扇的风量和噪音等因素。
产品结构热设计
产品结构热设计导言：产品结构热设计是指在产品设计过程中，针对产品的结构进行热学分析和设计的工作。
通过合理的热设计，可以保证产品在使用过程中的热稳定性和热性能，提高产品的可靠性和使用寿命。
一、热设计的重要性在现代工业中，热问题是产品设计中不可忽视的一个重要因素。
热问题的解决对于产品的性能和可靠性有着直接的影响。
因此，热设计在产品设计中具有重要的地位和作用。
二、热设计的目标热设计的目标是通过合理的热设计，使产品具有良好的散热性能，保证产品的热稳定性和可靠性。
具体来说，热设计需要考虑以下几个方面的问题：1. 散热设计：合理的散热设计可以保证产品在工作过程中的温度不超过允许范围，避免因过高的温度导致的故障和损坏。
2. 热传导设计：通过优化产品的热传导路径和热传导介质，提高产品的热传导效率，减少热阻，提高散热效果。
3. 热辐射设计：合理的热辐射设计可以通过增加散热面积和改善散热面的材料特性，提高产品的热辐射效率，减少热量的积累。
4. 热循环设计：合理的热循环设计可以通过优化产品的热循环路径和热循环介质，提高产品的热循环效率，减少热量的积累。
三、热设计的方法和工具热设计可以通过数值模拟和实验测试两种方法进行。
数值模拟是一种常用的热设计方法，可以通过计算机模拟和分析产品的热特性，预测产品的热行为。
常用的数值模拟工具有有限元分析软件和计算流体力学软件等。
实验测试是一种直接测量和观测产品的热特性的方法，可以通过实验数据对产品的热设计进行验证和优化。
四、热设计的应用领域热设计广泛应用于各个领域的产品设计中。
例如，在电子产品设计中，合理的热设计可以保证电子元器件的温度不超过允许范围，提高产品的可靠性和使用寿命。
在汽车工程中，热设计可以提高发动机的散热效果，减少热量的损失，提高汽车的燃油效率。
在航空航天工程中，热设计可以保证航空器在高温环境下的正常运行，减少热量对航空器的影响。
五、热设计的挑战和发展趋势随着科技的不断发展和产品性能的不断提高，热设计面临着越来越多的挑战。
光模块仿真分析报告
光电模块热设计摘要：热设计是航天电子产品结构设计中的难题。
文中基于Icepak仿真软件，针对光电模块的空间工作环境和内部元器件热耗分布情况，建立热分析模型，评估了元器件在指定散热条件下的工作情况，分析模块内部敏感元器件的温度参数，并在仿真的结果分析的基础上，对模块进行优化设计，采用大热耗器件紧贴均热板技术的结构设计，验证了光电模块热设计的合理性，为其他航天电子产品热设计提供参考和依据。
0引言电子技术的迅速发展，电子元器件、集成电路、功率芯片等大功能模块日趋复杂，而功耗却越来越高，致使电子设备和组件的热流密度急剧增大。
统计数据显示，超过55%的电子产品在使用过程中出现的故障是由于结构设计时散热系统不良所产生的。
因此，电子产品热设计是系统结构设计中一个重要的环节，合理的散热设计能有效改善电子设备和组件的工作环境，减少故障率。
基于航天领域的电子产品使用空间环境的特殊性，其小体积、轻重量、可高靠性的严格指标要求，在系统结构设计时考虑热设计显得尤为重要。
系统结构热设计主要基于三种基本的热量传递方式：传导、对流及辐射。
三种热量传递方式可以单独出现，也可以两种方式出现或者三种方式同时出现。
当前，已经成功应用于结构系统热设计的散热控制方法有：液冷散热、风冷散热、喷雾散热、相变散热等[3]。
对于航天电子设备来说，在空间高真空环境中，由于不存在对流散热方式，因此，只考虑传导传热和辐射传热两种散热方式。
空间用光电模块内部由于激光器和控制芯片等核心元器件在工作时会产生大量额外的热量，聚集的热量使光电模块内部工作温度不断升高，超过了元器件的额定温度，高温会影响内部温度敏感器件激光器和芯片的正常工作，从而导致激光器发射波长红移、阈值电流增加、以及模式不稳等现象，从而影响整个传输系统的稳定性。
因此对于真空环境中的热功率密度较高的光电子产品，采取合适的热控措施，合理布置元器件和设计散热系统，对于系统的安全可靠运行变得非常关键。
基于Icepak的小外形封装结构热设计和分析
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结构热设计
结构热设计
一、引言
二、结构热设计的概念和意义
1. 结构热设计的定义
2. 结构热设计的意义
三、结构热设计的基本原理
1. 热力学基础
2. 热传导原理
3. 热辐射原理
四、结构热设计的方法和步骤
1. 确定工作条件和要求
2. 分析结构受热方式和特点
3. 计算结构温度场分布和变化规律
4. 设计结构保护措施和降温措施
五、结构热设计的注意事项及应用范围
1. 注意事项
（1）考虑不同材料在高温下性能差异
（2）考虑不同部位受热程度差异
（3）考虑环境因素对结构影响
（4）考虑使用寿命等因素对结构影响 2. 应用范围
（1）航空航天领域
（2）核电站领域
（3）高速列车领域
六、案例分析：飞机发动机外壳的结构热设计
1. 案例背景
2. 热设计方法和步骤
3. 结果分析和结论
七、结论
八、参考文献。
基于Icepak分析某电子机箱散热
第30卷 第12期2023年12月仪器仪表用户INSTRUMENTATIONVol.302023 No.12基于Icepak分析某电子机箱散热程文虎，杜昌堂，谢金金（南京熊猫通信科技有限公司，南京 210007）摘 要：以一种典型的电子机箱为案例，通过公式计算得到机箱内部元件的温升和采用的冷却方式，然后使用ANSYS Icepak 软件对建立的简化电子机箱进行散热模拟计算，完成了机箱的材料定义，网格划分，对机箱进行了精确的热模拟计算。
重点比较了公式计算结果和热模拟计算结果，为其他同类机箱散热设计提供参考依据。
关键词：ANSYS Icepak 软件；电子机箱；散热中图分类号：TP31 文献标志码：AAnalysis of Heat Dissipation in an Electronic Chassis Based on IcepakCheng Wenhu ，Du Changtang ，Xie Jinjin（Nanjing Panda Communication T echnology Co., Ltd., Nanjing,210007,China ）Abstract：This article takes a typical electronic case as an example, calculate the temperature rise of internal components in thechassis and the cooling method used through formulas, Then use ANSYS Icepak software to conduct heat dissipation simulation calculations on the established simplified electronic chassis, implements the material definition and grid division of the chassis, and performs accurate thermal simulation calculations. The focus was on comparing the formulas calculation results with the thermal simulation calculation results, Provide reference basis for heat dissipation design of other similar chassis.Key words：ANSY Icepak software ；electronic chassis ；heat dissipation收稿日期：2023-08-25作者简介：程文虎（1984-），男，安徽安庆人，硕士研究生，工程师，产品结构设计师，研究方向：电子产品散热设计。
电子产品热设计与工程案例分析
Accelink Technologies Co., Ltd.
第二部分 以空气为介质的冷 却
2.1、空冷首先应当重视对流 2.2、空冷中的传导 2.3、风冷中的风道设计与风机选用
三、传热路径
从实际传热观点而言，热设计时应利用中间散热器，它们一般属于设备的一部分，通常为设备 的底座、外壳或机柜、冷板、肋片式散热器或设备中的空气、液体等冷却剂。 热流量经传热路径至最终的部位，通称为“热沉”，它的温度不随传递到它的热量大小而变，即 相当于一个无限大容器。热沉可能是大气、大地、大体积的水或宇宙，取决于被冷却设备所处的 环境。
三、对流换热
⑴ 基本概念及计算式
流动产生的原因自强然迫对对流流
流动性质
层流 湍流
牛顿冷却公式： Q AT
其中α为对流换热系数，单位W/(m2·K)，表征了换热表面的平均对流 换热能力。
由牛顿公式可得对流换热热阻计算公式为：
Rt
1
A
通过量纲分析法，可得对流换热的两个准则方程
自然对流 Nu c(GrPr)n
Accelink Technologies Co., Ltd.
1.3 热量传递的基本方式和有关定律
一、热量传递的三种基本方式：导热、对流、辐射
二、导热（热传导）
傅立叶导热定律：
Q A T W
x
A为垂直于热流方向的截面积；λ为材料的导热系数，单位W/(m·K)，它是表征 材料导热能力流换热系数： Nu
L
Accelink Technologies Co., Ltd.
四、辐射换热
➢ 辐射能以电磁波的形式传递 ➢ 任意物体的辐射力可以用下式计算：
热设计的基础知识与规范
2.1.3 热流密度 2
单位面积上的传热量，单位 W/m 。 2.1.4 热阻
热量在热流路径上遇到的阻力，反映介质或介质间的传热能力的大小， 表明了 1W 热量所引起的温升大小，单位为℃/W 或 K/W。用热耗乘以热阻，即可获得该传 热路 径上的温升。
可以用一个简单的类比来解释热阻的意义，换热量相当于电流，温差相当于电 压，则热阻相当于电阻。
(2-2)
222
h---- 对流换热系数，W/m .K 或 W/m .℃; A 对--- 有效对流换热面
积，m
tw---- 热表面温度，℃;
ta---- 冷
却空气温度℃;
R 对流----- 对流热阻, ℃/W
由方程可见，要增强对流换热，可以加大换热系数和换热面积。
2.2.3 辐射的基本方程：
---- 系统黑度， ε1，ε2----分别为高温物体表面（如发热器件）和低温物体表面
第三章 自然对流换热
当发热表面温升为 40℃或更高时，如果热流密度小于 0.04W/cm ，则一般可 以通 过自然对流的方式冷却，不必使用风扇。自然对流主要通过空气受热膨胀产生的浮 升 力使空气不断流过发热表面，实现散热。这种换热方式不需要任何辅助设备，所以 不 需要维护，成本最低。只要热设计和热测试表明系统通过自然对流足以散热，应尽 量 不使用风扇。 3.1 自然对流热设计要考虑的问题
如果设计不当，元器件温升过高，将不得不采用风扇。合理全面的自然对流热 设 计必须考虑如下问题： 3.1.1 元器件布局是否合理。 在布置元器件时，应将不耐热的元件放在靠近进风 口的位 置，而且位于功率大、发热量大的元器件的上游，尽量远离高温元件，以避免辐射 的 影响，如果无法远离，也可以用热屏蔽板（抛光的金属薄板，黑度越小越好）隔 开； 将本身发热而又耐热的元件放在靠近出风口的位置或顶部； 一般应将热流密度高 的元 器件放在边沿与顶部，靠近出风口的位置，但如果不能承受较高温度，也要放在进 风 口附近，注意尽量与其他发热元件和热敏元件在空气上升方向上错开位置；大功率 的 元器件尽量分散布局，避免热源集中； 不同大小尺寸的元器件尽量均匀排列，使 风阻 均布，风量分布均匀。
结构设计专题知识—热设计
热设计目录第1章概述 (3)1.1简介 (3)1.1.1 好不好................................................................................... 错误！未定义书签。
第2章好好. (7)2.1打 (7)第1章概述1.1简介对于金属导热材料而言，比热和热传导系数是两个重要的参数。
比热的定义为：单位质量下需要输入多少能量才能使温度上升一摄氏度，单位为卡/（千克×°C），数值越大代表物体的容热能力越大。
以下是几种常见物质的比热表：热传导系数的定义为：每单位长度、每K，可以传送多少W的能量，单位为W/mK。
其中“W”指热功率单位，“m”代表长度单位米，而“K”为绝对温度单位。
该数值越大说明导热性能越好。
以下是几种常见金属的热传导系数表：热阻：我们看到，水的比热远高于金属，有更强的容热能力，这也正是水冷有出色散热效果的原因。
而普通风冷散热器自然要选择金属作为散热器的材料。
我们希望所选用的材料同时具有高比热和高热传导系数，铝的这两个参数都居于前列，是一个相当不错的选择。
由于铝具有密度小，延展性好，易于加工等特点，所以目前绝大多数散热器都采用铝作为主要材料。
但纯铝硬度不足，切削性能差，所以在实际生产中，厂商门为了保证产品有适当的硬度，都采用铝合金来制造实际产品（铝约占总成分的98％）。
当然掺杂了其他金属会导致散热性能有所降低，上面列举了几款散热器常用铝合金的导热性能，铝优良的导热能力在铝合金身上基本上得到保留。
而铜的传导系数颇高，热传导能力非常强。
而铜和铝合金二者同时各有其优缺点。
铜的导热性好，但价格较贵，加工难度较高，重量过大，且铜制散热器热容量较小，而且容易氧化。
另一方面纯铝太软，不能直接使用，都是使用的铝合金才能提供足够的硬度，铝合金的优点是价格低廉，重量轻，但导热性比铜就要差很多。
6061的导热系数不退火154（T4）或167（T6）左右，退火后180散热片的制造材料是影响效能的重要因素，选择时必须加以注意！目前加工散热片所采用的金属材料与常见金属材料的热传导系数：银429W/mk铜401W/mk金317W/mk铝237W/mkAA6061型铝合金155 W/mKAA6063型铝合金201 W/mKADC12型铝合金96 W/mKAA1070型铝合金226 W/mKAA1050型铝合金209 W/mK热传导系数的单位为W/mK，即截面积为1平方米的柱体沿轴向1米距离的温差为1开尔文（1K＝1℃）时的热传导功率。
结构设计与热设计
电子电气产品结构设计在电子行业中的结构设计一般是：在电子设备中，由工程材料按合理的连接方式进行连接，且能安装电子元、器件及机械零、部件，使设备成为一个整体的基础结构，能够实现预定的电气、结构等功能。
而在电子行业中由于各种标准（国家标准、国际标准、行业标准等）对我们的设备提出了不同的要求。
如标准YD-T 1095-2000《通信用不间断电源UPS》标准、《UL1778》等。
其中标准要求有：4.1 环境条件4.1.1 正常使用条件环境温度：5°C~40°C；相对湿度≤93%[（40±2）°C，无凝露]海拔高度应不超过1000m；若超过1000m时按GB/T3859.2规定降容使用。
4.1.2 贮存运输环境及机械条件温度：-25°C ~ +55°C（不含电池）振动、冲击条件应符合GB/T 14715-93中的5.3.2规定。
4.2 外观与结构4.2.1 机箱镀层牢固，漆面均匀，无剥落、锈蚀及裂痕等现象。
4.2.2 机箱表面平整，所有标牌、标记、文字符号应清晰、正确、整齐。
4.2.3 各种开关便于操作，灵活可靠。
4.4 电磁兼容限值4.4.1传导干扰在150KHz~30MHz频段内，系统电源线上的传导干扰电平应符合YD/T 983-1998中5.1表2中规定的限制。
4.4.2 电磁辐射干扰在30MHz~1000MHz频段内系统的电磁辐射干扰电压电平应符合YD/T 983-1998中5.2表4中规定的限值。
4.4.3 抗干扰性能要求应符合YD/T 983-1998中7.3表9中规定的判断准则。
第一讲结构设计与热设计电子电气行业中的热设计是指，采用适当可靠的方法控制电子设备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稳定运行要求的最高温度，以保证设备正常运行的安全性和长期运行的可靠性。
在UPS中，主要的热源来自于开关管（IGBT、三极管、二极管等）、磁性元件（变压器、电感等）等。
热设计技术规范
2024/1/26
5
热设计应用领域
2024/1/26
电子设备
热设计在电子设备领域应用广泛，如计算机、手机、平板电脑等。通过优化设备的散热结 构、提高散热效率，可以确保设备在长时间工作或高负荷运行时保持良好的性能。
航空航天
在航空航天领域，热设计对于确保飞行器的稳定性和安全性至关重要。通过合理的热设计 ，可以控制飞行器内部温度，防止设备过热或结冰，确保各种传感器和控制系统正常工作 。
3
ห้องสมุดไป่ตู้
热设计定义与目的
热设计定义
热设计是一种工程方法，旨在优化电 子设备和系统的热性能，确保其在各 种工作条件下能够稳定、高效地运行 。
热设计目的
通过合理的热设计，可以降低设备的 工作温度，提高设备的可靠性、稳定 性和寿命，同时优化能源利用效率， 减少热污染和环境影响。
2024/1/26
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热设计原则与方法
火箭热设计
解决高速飞行时产生的气动加热问题，保护关键部件免受高温影响 。
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汽车零部件热设计案例
1 2
发动机热设计
改进冷却系统结构，提高散热性能，降低发动机 温度波动。
电池热设计
针对电动汽车电池组，采用液冷或风冷技术，确 保电池在适宜温度下工作，延长使用寿命。
3
空调系统热设计
优化空调制冷和制热效果，提高能效比，提升驾 乘舒适度。
设计迭代
根据测试结果对热设计方案进行迭代优化，直至满足 设计要求。
2024/1/26
15
04
热设计实例分析
BIG DATA EMPOWERS TO CREATE A NEW
ERA
2024/1/26
16
小型化军用电子机箱热设计结构探究
小型化军用电子机箱热设计结构探究摘要：随着电子元器件小型化、微型化以及相应集成技术的不断发展，电子器件的组装密度在不断升高，电子机箱的热流密度也随之增加；由于电子元器件的故障率与元器件温度呈指数增长的关系。
而电子设备热控制的目的就是为电器件提供良好的热环境，并在规定的热环境下工作稳定可靠，因此热设计基础是电子机箱设备可靠性的重要保障。
据此，本文主要对小型化电子机箱在结构设计中应注意的散热问题进行详细分析，降低由元器件温度过高导致电子设备功能损坏的情况，提高产品的可靠性。
关键词：小型化电子机箱；热设计；结构设计引言近年来，随着电子信息化的发展，组成电子设备的组件和元器件向超大规模的集成电路方向发展，热流密度不断增加。
尤其作为军用电子机箱，工作环境恶劣，有湿热、霉菌、盐雾、温度、抗电磁兼容等要求，因此在设计电子机箱时需保证箱体的密闭性，这给结构设计者带来极大的考验，本文主要利用传热学基础提高小型化电子机箱散热效率。
1.传热学基础电子机箱热设计主要理论基础是传热学，传热学主要研究热量的传递形式、传热机理以及传热计算方法等。
传热的基本形式包括导热、对流、辐射三种。
在电子设备中，这三种方式都有发生。
1. 1导热在受热不均匀的物体中，热量从高温处通过物体的分子、原子及自由电子逐渐传到低温处的现象，称为热传导，如固体内部的热量传递和不同固体之间的通过接触面的热传递。
传导在固体、气体、液体之间均能产生。
电子机箱内的发热元器件主要由灌封胶、铝基板、导热胶、散热器、热管等进行热传导。
热传导的基本计算公式满足傅立叶定律，单位时间热传导的热量与垂直热流的截面积和温度梯度成正比，同时也与材料的导热系数有关，导热系数越大，材料的导热性能越好，因为铝的导热系数高且密度低，所以散热器基本都采用铝合金加工。
1. 2对流在固体与气体或液体中，热量依靠物质的流动从一部分向另一部分转移的传递方式称为对流。
根据流动的起因不同，对流换热可分为自然对流和强制对流换热两种，前者是自身温度场的不均匀性造成不均匀的密度场，产生的浮生力作为动力，后者是有风扇或其它外部动力源形成。
宇航电子模块结构热设计
宇航电子模块结构热设计宇航电子模块是指在航天器中运行的各类电子设备和控制模块，包括通信设备、传感器、计算机系统等。
这些设备在航天器中的工作环境极为苛刻，宇航电子模块需要经受严酷的空间辐射、温度变化和真空等极端条件的考验。
宇航电子模块结构的热设计是宇航电子设备设计的重要一环。
宇航电子模块的热设计是为了保证电子设备在其工作范围内的温度稳定在合适的范围内，以确保设备的稳定性和可靠性。
热设计的主要目标是降低温度梯度、均衡温度分布、保证设备在设计寿命内的工作温度。
1. 散热系统设计：通过散热系统设计，有效地将电子设备产生的热量传导、传输和散发出去，以保持设备温度在合理范围内。
散热系统通常包括散热器、热管和风扇等组件，根据具体要求选择和设计合适的散热系统。
2. 热传导材料选择：为了提高散热效果，减小温度梯度，选用高导热性的材料是非常重要的。
常用的热传导材料包括铜、铝和石墨等，根据具体情况选择合适的材料。
3. 热隔离设计：在宇航电子模块结构设计中，需要进行热隔离设计，以减少热传导和热辐射对其他电子设备的影响。
热隔离材料的选择和布局是热设计中的重要环节。
4. 热辐射控制：在宇航器外层空间中，热辐射是主要的热传递方式之一。
热辐射控制是通过选择合适的涂层、表面处理或材料来减少热辐射的影响，以降低设备温度。
5. 温度控制系统设计：为了确保宇航电子模块结构的温度稳定，需要设计温度控制系统。
温度控制系统通常包括温度传感器、温度控制单元和温度调节装置等，以实时监测和控制设备的温度。
宇航电子模块结构的热设计对于确保电子设备的稳定性和可靠性起着关键的作用。
在设计过程中，需要综合考虑散热系统设计、热传导材料选择、热隔离设计、热辐射控制和温度控制系统设计等因素，以满足设备在极端环境下的工作要求。
只有合理设计和精确调控热设计，才能使宇航电子设备在艰苦的太空环境中顺利运行。
华为-热设计培训教材
HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.
Huawei Confidential
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热辐射
塑料外壳表面喷漆，PWB表面会涂敷绿油，表面黑度都可以达到 0.8，这些都有利于辐射散热。对于金属外壳，可以进行一些表面处理 来提高黑度，强化散热。 对辐射散热一个最大错误认识是认为黑色可以强化热辐射，通常散 热器表面黑色处理也助长了这种认识。实际上物体温度低于1800℃时， 有意义的热辐射波长位于0.38~100μm之间，且大部分能量位于红外波 段0.76~20μm范围内，在可见光波段内，热辐射能量比重并不大。颜色 只与可见光吸收相关，与红外辐射无关，夏天人们穿浅色的衣服降低太 阳光中的可见光辐射吸收。因此终端内部可以随意涂敷各种颜色的漆。
HUAWEI TECHNOLOGIES CO., LTD.
Huawei Confidential
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1、认识器件热阻
JEDEC芯片封装的热性能参数： 热阻参数
θja，结（即芯片）到空气环境的热阻：θja=(Tj-Ta)/P θjc，结（即芯片）到封装外壳的热阻：θjc=(Tj-Tc)/P θjb，结（即芯片）到PCB的热阻：θjb=(Tj-Tb)/P 热性能参数 ψjt，结到封装顶部的热参数： ψjt =(Tj-Tt)/P ψjb，结到封装底部的热参数： ψjb =(Tj-Tb)/P
热量传递过程中，温度差是过程的动力，好象电学中的电压，换热 量是被传递的量，好像电学中的电流，因而上式中的分母可以用电学中 的电阻概念来理解成导热过程的阻力，称为热阻（thermal resistance）， 单位为℃/W, 其物理意义就是传递 1W 的热量需要多少度温差。在热设 计中将热阻标记为R或θ。δ/(λA)是导热热阻， 1/αA是对流换热热阻。 器件的资料中一般都会提供器件的Rjc和Rja热阻，Rjc是器件的结到壳的 导热热阻；Rja是器件的结到壳导热热阻和壳与外界环境的对流换热热阻 之和。这些热阻参数可以根据实验测试获得，也可以根据详细的器件内 部结构计算得到。根据这些热阻参数和器件的热耗，就可以计算得到器 件的结温。
结构设计知识：结构设计中的热膨胀分析
结构设计知识：结构设计中的热膨胀分析热膨胀分析是结构设计中一项非常重要的技术。
在工程中，所有的材料都存在热膨胀的现象，也就是说当温度升高时材料会膨胀，反之则会收缩。
对于结构设计而言，热膨胀分析的重要性在于能够预测结构在不同温度下的形变情况，从而使结构更加稳定和可靠。
一般来说，热膨胀分析分为两类：静态热膨胀分析和动态热膨胀分析。
静态热膨胀分析主要用于分析结构在温度变化时的静态应力和变形，例如管道、储罐等结构在温度变化时的应变场分布以及构件的应力状态。
而动态热膨胀分析主要用于分析结构在发生快速温度变化或温度梯度不均匀时的应变和变形状态，例如发动机、火箭等高温重载工况下的变形特性。
对于热膨胀分析，最基本的方法是解析法，它通常适用于简单的结构或者温度梯度较小的情况。
解析法的基本思路是通过计算结构在温度变化下的形变，从而得出结构的应力状态。
但是，在实际工程中，结构往往很复杂，温度梯度也很大，因此解析法的应用范围受到限制。
相对应的，有限元分析法是当前广泛应用于热膨胀分析的方法。
有限元法是一种数值分析方法，它将结构离散为无数个小单元，通过每个小单元的应力状态的计算来确定整个结构的应力状态。
有限元分析法的优点在于可以准确预测结构在温度变化下的变形情况，对于复杂的结构也能适用。
在热膨胀分析中，也需要注意一些细节问题。
例如，计算温度梯度时需要考虑不同部位的温度变化，因为不同材料有不同的热膨胀系数。
同时，在计算过程中还需要考虑结构中存在的残余应力状态，因为残余应力会影响结构的热膨胀响应。
总的来说，热膨胀分析在结构设计中具有非常重要的应用价值。
通过热膨胀分析可以预测结构在不同温度下的形变情况，帮助工程师更加准确地设计结构。
在实际应用中，需要根据具体的情况选择合适的分析方法和方案，以达到最佳的设计效果。
电子控制组件结构热设计仿真分析
第４期２０２３年８月机电元件ＥＬＥＣＴＲＯＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬＣＯＭＰＯＮＥＮＴＳＶｏｌ ４３Ｎｏ ４Ａｕｇ ２０２３收稿日期：２０２３－０６－２０电子控制组件结构热设计仿真分析钟 洪（贵州航天电器股份有限公司，贵州贵阳，５５０００９） 摘要：电子控制组件产品要经受加速度、冲击、随机振动等环境动力学条件测试，且需要考虑其工作温升。
对电子控制组件进行设计时，结构热仿真是有效的评估和优化工具，通过产品的动力学、温升仿真可以得出产品是否满足设计指标，并对不满足指标的设计进行优化，保证产品性能，提高产品一次设计成功率。
对某款电子控制组件应用ＡＮＳＹＳ软件进行了动力学和温度仿真设计，样品经过试验测试证明了仿真的正确性，仿真验证为产品设计提供了有力支撑。
关键词：电子控制组件；动力学；温升ＡＮＳＹＳＤｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－６１３３．２０２３．０４．０１７中图分类号：ＴＰ３９１ ９ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００－６１３３（２０２３）０４－００６２－０３１ 引言电子控制组件常用于军工、船舶等领域，在系统中起着控制、传输信号等功能。
整机系统常常需要在一些动力学环境下工作比如冲击、加速度、正弦振动、随机振动等，因此电子控制组件也需要能满足这些环境条件。
同时电子控制组件在工作时会发热，而电子元件一般最高工作温度不能超过１１０℃［１］，需要对产品在给定工作条件下的温度分布进行分析，以得出最高温度是否超标。
本文采用ＡＮＳＹＳ对电子控制组件进行动力学和温度仿真，其中动力学仿真主要考虑整体的应力分布和加速度分布，应力要求小于材料抗拉强度，随机振动等长时间振动条件下应力要小于抗拉强度的１／３以满足疲劳指标要求，电子控制组件中的连接器、继电器等元器件的加速度响应要小于其设计指标以满足其互连特性［２］；电子控制组件很多发热元件为短时间工作，因此在工作温度分析时应用瞬态热模块进行分析［３］。
２ 电子控制组件动力学仿真２．１ 仿真前处理（１）模型处理整个模型处理后如图１，一些特殊情况下需要对螺钉进行单独的强度校核，一般螺钉等影响不大的零件可以删除，连接器、继电器、电阻等元器件可简化其内部结构，减小模型规模。
基于Icepak的小外形封装结构热设计和分析
基于Icepak的小外形封装结构热设计和分析胡文华;徐成;徐健;孙鹏【摘要】介绍了典型小外形封装的热传输机制及其等效热流通道的热阻理论计算方法,并且利用专业热仿真软件Icepak对不同热设计结构的同一小外形封装进行建模和计算得到相应的热阻,同时通过热阻测试进行验证.对仿真和测试结果进行对比分析表明:对于有主散热通道的封装,可以通过增加散热通道的面积、缩短散热路径、基岛裸露、拓展散热通道数量等方法对通道结构进行设计优化,使封装的散热效果得到有效改善.【期刊名称】《电子与封装》【年(卷),期】2018(018)011【总页数】5页(P1-4,35)【关键词】小外形封装;热阻;热设计;仿真【作者】胡文华;徐成;徐健;孙鹏【作者单位】华进半导体封装先导技术研发中心有限公司,江苏无锡214135;华进半导体封装先导技术研发中心有限公司,江苏无锡214135;华进半导体封装先导技术研发中心有限公司,江苏无锡214135;华进半导体封装先导技术研发中心有限公司,江苏无锡214135【正文语种】中文【中图分类】TN305.941 前言半导体器件工作时会源源不断地产生热量，热量的积累会引起器件内部温度的上升，芯片结温过高会导致器件失效甚至损坏，因此半导体器件的封装散热问题越来越受到广泛关注。
封装的热阻是表征半导体器件工作时所产生的热量向外界耗散的能力，热阻越大，热量越不容易散发出去。
它也是热设计中一个相当重要的参数，对半导体器件特别是功率器件的产品性能和可靠性有着重要的影响。
根据JEDEC JESD-51系列标准，我们可以定义封装的各个热阻。
θJX为结到环境、PCB板（Printed Circuit Board，印刷电路板）、封装体表面的热阻，单位℃·W-1；T J为器件达到稳态时的芯片结温，单位℃；T A为环境温度，单位℃；T B为稳态时PCB板温度，单位℃；T C为稳态时封装体表面温度，单位℃；P D为器件热耗散功率，单位W。
电子产品热设计
电子产品有效的功率输出要比电路工作所需输入的功率小得多。
多余的功率大部分转化为热而耗散。
当前电子产品大多追求缩小尺寸、增加元器件密度，这种情况导致了热量的集中，因此需要采用合理的热设计手段，进行有效的散热，以便产品在规定的温度极限内工作。
热设计技术就是指利用热的传递条件，通过冷却措施控制电子产品内部所有元器件的温度，使其在产品所在的工作条件下，以不超过规定的最高温度稳定工作的设计技术。
一、电子产品热设计的目的电子产品在工作时会产生不同程度的热能，尤其是一些功耗较大的元器件，如变压器、大功率晶体管、电力电子器件、大规模集成电路、功率损耗大的电阻等，实际上它们是一个热源，会使产品的温度升高。
在温度发生变化时，几乎所有的材料都会出现膨胀或收缩现象，这种膨胀或收缩会引起零件间的配合、密封及内部的应力问题。
温度不均引起的局部应力集中是有害的，金属结构在加热或冷却循环作用下会产生应力，从而导致金属因疲劳而毁坏。
另外，对于电子产品而言，元器件都有一定的工作温度范围，如果超过其温度极限，会引起电子产品工作状态的改变，缩短使用寿命，甚至损坏，导致电子产品不能稳定、可靠地工作。
电子产品热设计的主要目的就是通过合理的散热设计，降低产品的工作温度，控制电子产品内部所有元器件的温度，使其在所处的工作环境温度下，以不超过规定的最高允许温度正常工作，避免高温导致故障，从而提高产品的可靠性。
二、电子产品散热系统简介热传递的三种基本方式是传导、对流和辐射，对应的散热方式为：传导散热、对流散热和辐射散热。
典型的散热系统介绍如下：（1）自然冷却系统自然冷却系统是指电子产品所产生的热量通过传导、对流、辐射三种方式自然地散发到周围的空气中（环境温度略微升高），再通过空调等其他设备降低环境温度，达到散热的目的。
此类散热系统的设计原则是：尽可能减少传递热阻，增加产品中的对流风道和换热面积，增大产品外表的辐射面积。
自然冷却是最简单、最经济的冷却方法"旦散热量不大，一般用于热流密度不大的产品中。
结构热设计基本理论
要保持户外柜内的温度Ti恒定，进入户外柜的热量加上内部生成的热量应等于户外 柜表面的散热量。如果不能够平衡，则需要借助热交换器或空调来强制维持热量的 平衡，保证内部温度达到设计要求并保持恒定。户外柜传热计算的目的就是要计算 出需要依靠热交换器或空调来强制维持热量平衡的净热量。 依据热网络图2给出的传热方程式为：
3. ANSYS/Linear plus：该模块是从ANSYS/Structural派生出来的，一个线性 结构分析选项，可用于线性的静态、动态及屈曲分析，非线性分析仅包括间隙元和 板/梁大变形分析。
4. ANSYS/Thermal：该模块同样是从ANSYS/Mechanical中派生出来的，是一 个可单独运行的热分析程序，可用于稳态及瞬态热分析。 5. ANSYS/Flotran：该程序是个灵活的CFD软件，可求解各种流体流动问题，具 体包括：层流、紊流、可压缩流及不可压缩流等。 6. ANSYS/Emag：该程序是一个独立的电磁分析软件包，可模拟电磁场、静电学 、电路及电流传导分析。当该程序与其它ANSYS模块联合使用时，则具有了多物 理场分析功能，能够研究流场、电磁场及结构力学间的相互影响。 结构热设计与有限元方法
结构热设计与有限元方法
一、简介
主要模块
ANSYS/ Multiphysics
ANSYS/ LS-DYNA
ANSYS/ Emag
ANSYS/ Mechanical ANSYS/ FLOTRAN
ANSYS/ Thermal
ANSYS/ Structural
ANSYS/
LinearPlus
QT 1.86(S s 4S t /3 2S b /3)t1.25 4STm T 1000uA T
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四、总结
结构热设计与有限元方法
目录（续）
机箱热设计
机箱热设计的选材 模块的散热量的计算 机箱辐射换热的考虑 机箱的表面处理
单板级的热设计
元器件布局的热设计原则 导热介质的选取 PCB板的热设计原则
散热器的选择与设计
自然冷却方式的判别 自然冷却散热器的设计要点 强化自然冷却效果的措施
结构热设计与有限元方法
一、简介
ANSYS是世界上著名的大型通用有限元计算软件，它包括热、电、磁、流体和结 构等诸多模块，具有强大的求解器和前、后处理功能，为我们解决复杂、庞大的工 程项目和致力于高水平的科研攻关提供了一个优良的工作环境，更使我们从繁琐、 单调的常规有限元编程中解脱出来。ANSYS本身不仅具有较为完善的分析功能， 同时也为用户自己进行二次开发提供了友好的开发环境。 ANSYS程序自身有着较强的三维建模能力，仅靠ANSYS的GUI(图形界面)就可建 立各种复杂的几何模型；此外，ANSYS还提供较为灵活的图形接口及数据接口。 因而，利用这些功能，可以实现不同分析软件之间的模型转换。
结构热设计
-----基础理论
2013年01月07日
结构热设计与有限元方法目录一、简介 二、 源自分析基础知识 传热学基本理论
符号与单位 热传递的方式 热力学第一定律 热分析的控制过程
三、自然冷却热设计
散热器介绍
提高表面积 提高换热系数
户外设备（机柜）的热设计
太阳辐射对户外设备的影响 户外柜的传热设计
热力学第一定律
两能量既不能消失，也不能创造，但可以从一种形式转化为另一中形式，也可 以从一种物质传递给另一种物质，在转化和传递过程中，能量的总和保持不变。 这是自然界的一个普遍的基本规律，在热力学中称为热力学第一定律。 对于一个封闭的系统（没有质量的流入或流出〕
Q W U KE PE
3. ANSYS/Linear plus：该模块是从ANSYS/Structural派生出来的，一个线性 结构分析选项，可用于线性的静态、动态及屈曲分析，非线性分析仅包括间隙元和 板/梁大变形分析。
4. ANSYS/Thermal：该模块同样是从ANSYS/Mechanical中派生出来的，是一 个可单独运行的热分析程序，可用于稳态及瞬态热分析。 5. ANSYS/Flotran：该程序是个灵活的CFD软件，可求解各种流体流动问题，具 体包括：层流、紊流、可压缩流及不可压缩流等。 6. ANSYS/Emag：该程序是一个独立的电磁分析软件包，可模拟电磁场、静电学 、电路及电流传导分析。当该程序与其它ANSYS模块联合使用时，则具有了多物 理场分析功能，能够研究流场、电磁场及结构力学间的相互影响。 结构热设计与有限元方法
结构热设计与有限元方法
一、简介
主要模块
ANSYS/ Multiphysics
ANSYS/ LS-DYNA
ANSYS/ Emag
ANSYS/ Mechanical ANSYS/ FLOTRAN
ANSYS/ Thermal
ANSYS/ Structural
ANSYS/
LinearPlus
结构热设计与有限元方法
一、简介
1. ANSYS/Mechanical：该模块提供了范围广泛的工程设计分析与优化功能，这 些功能包括完整的结构、热、压电及声学分析。是一个功能强大的设计校验工具， 可用来确定位移、应力、作用力、温度、压力分布以及其它重要的设计标准。 2. ANSYS/Structural：通过利用其先进的非线性功能，该模块可进行高目标的 结构分析，具体包括：几何非线性、材料非线性、单元非线性及屈曲分析。该模块 可以使用户精确模拟大型复杂结构的性能。
TS 为固体表面的温度， TB 为周围流体的温度。
辐射：一个物体或两个物体之间通过电磁波进行的能量交换。 原因：物体发射电磁能，并被其他物体吸收转变为热量交换的过程。 温度越高，则单位时间辐射的能量越多。 热传导和热对流都需要有传热介质，而热辐射无需任何介质。 结构热设计与有限元方法
二、热分析基础知识
dT dx
，q 为热流密度（W/m2），k为
导热系数（W/m-℃），“-”表示热量流向温度降低的方向。 对流：在物体和周围介质之间发生的热交换。
原因：主要发生在固体表面与周围接触的流体之间，由于温度差引起的能量交换。
q h(TS TB )，h为对流换热系数, 自然对流和强制对流。热对流用牛顿冷却方程：
式中： Q —— 热量; W —— 作功; U ——系统内能; KE——系统动能； PE ——系统势能； 对于大多数工程传热问题： KE ＝ PE ＝ 0 通常考虑没有做功： W=0 , 则：Q U ； 对于稳态热分析：Q U 0 ，即流入系统的热量等于流出的热量； dU 对于瞬态热分析： ，即流入或流出的热传递速率q等于系统内能的变化。 q dt 结构热设计与有限元方法
二、热分析基础知识
符号与单位
项目 长度 时间 质量 温度 力 能量（热量） 功率（热流率） 热流密度 生热速率 导热系数 对流系数 密度 比热 国际单位 m s Kg ℃ N J W W/m2 W/m3 W/m-℃ W/m2-℃ Kg/m3 J/Kg-℃ 英制单位 ft s lbm
oF
三、自然冷却热设计
散热器介绍
散热器即为一散热扩展面，热阻表征其散热性能的优劣。 热量在热流路径上遇到的阻力，反映介质或介质间的传热能力的大小，表明了 1W 热量所引起的温升大小，单位为℃/W或K/W。在传热学的工程应用中常常通过减 小热阻以加强传热。 注：开氏温度等于摄氏温度加273。
ANSYS代 号
lbf BTU BTU/sec BTU/sec-ft2 BTU/sec-ft3 BTU/sec-ft-oF BTU/sec-ft2-oF lbm/ft3 BTU/lbm-oF KXX HF DENS C
结构热设计与有限元方法
二、热分析基础知识
热传递的方式
传导：两个良好接触的物体之间的能量交换或一个物体内由于温度梯度引起的内部 能量交换。热传导遵循付里叶定律：q k