电子设备热设计基础(电子部讲课做讲义用)
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第一章电子设备热设计基本知识
F12 —— 两物体表面的角系数。
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。
2 传热方程
传热的基本计算公式为：
At
式中：Φ —— 热流量，W； Κ——传热系数，W/(m2·℃)； A —— 传热面积，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。
无限大平板一维导热
q
tw1 tw2
t r
Φ
tw1 tw2
t R
A
R
A
导热热阻
r
单位面积导热热
阻
t
dx
tw1
dt
Q
tw2
0
x
tw1
Q
tw2
A
图 导热热阻的图示
单层圆筒壁的导热
Φ
2 rlq
tw1 tw2 ln(r2 r1)
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
一、导热
3.3 冷却方法选择示例
功耗为300W的电子组件，拟将其装在一个248mm×381mm
×432mm的机柜里，放在正常室温的空气中，是否需要对此机柜采 取特殊的冷却措施？是否可以把此机柜设计得再小一些？
引入当量水力半径后所有园管的计算方法与公式均可适用非园 管，只需把园管直径换成当量水力直径。
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。
2 传热方程
传热的基本计算公式为：
At
式中：Φ —— 热流量，W； Κ——传热系数，W/(m2·℃)； A —— 传热面积，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。
无限大平板一维导热
q
tw1 tw2
t r
Φ
tw1 tw2
t R
A
R
A
导热热阻
r
单位面积导热热
阻
t
dx
tw1
dt
Q
tw2
0
x
tw1
Q
tw2
A
图 导热热阻的图示
单层圆筒壁的导热
Φ
2 rlq
tw1 tw2 ln(r2 r1)
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
一、导热
3.3 冷却方法选择示例
功耗为300W的电子组件，拟将其装在一个248mm×381mm
×432mm的机柜里，放在正常室温的空气中，是否需要对此机柜采 取特殊的冷却措施？是否可以把此机柜设计得再小一些？
引入当量水力半径后所有园管的计算方法与公式均可适用非园 管，只需把园管直径换成当量水力直径。
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。
电子行业电子设备热设计基础
电子行业电子设备热设计基础引言在电子行业中，电子设备的热设计是非常重要的。
随着电子设备的不断发展，其功能越来越强大，性能越来越高，工作时产生的热量也越来越大。
如果电子设备的热量不能有效地散出去，会导致设备过热，影响设备的性能甚至损坏设备。
因此，合理的热设计对于电子设备的可靠性和稳定性至关重要。
本文将介绍电子行业电子设备热设计的基础知识，包括热传导、热辐射、热对流等方面的内容，帮助读者了解电子设备热设计的重要性并掌握一些基本的设计原则和方法。
热传导热传导是指热能通过物质的传导方式传递的过程。
在电子设备中，常见的热传导方式有三种：导热、对流和辐射。
导热导热是通过物质内部的分子或电子的碰撞传递热能的过程。
导热的速度和效率取决于物质的热导率和传热面的接触情况。
为了提高导热效率，我们可以采用导热材料，如铜、铝等，作为散热板或散热片，将其与电子元件紧密接触以增大接触面积。
对流对流是指热量通过流体（如空气）的对流传递的过程。
当电子设备工作时产生的热量无法直接通过导热方式散出去时，就需要依靠对流来进行热散热。
在设计电子设备时，我们需要合理设置散热孔和散热风扇等设备，以增加热量与周围空气的接触面积，提高对流散热效率。
辐射辐射是指热能以电磁辐射的形式传递的过程。
热辐射是无需传递介质的热传递方式，在电子设备中发挥重要作用。
通过合理设置散热片、散热器等辐射表面，可以增大辐射能量的发射和吸收。
此外，还可以利用红外线热成像等技术来监测电子设备中的热辐射情况，及时发现问题并采取相应的措施。
设计原则和方法在进行电子设备热设计时，需要遵循一些基本的设计原则和方法，以确保设备的稳定运行和长寿命。
合理布局在电子设备的布局设计中，需要考虑到热量的产生和散热的位置。
将产热元件和散热结构合理布置，减少热量在设备内部的积聚，有利于热量的迅速散出，提高散热效率。
优化散热结构为了提高散热效果，可以采用散热片、散热器等散热结构来增大热量与周围环境的接触面积。
电子设备热设计讲座
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
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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
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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
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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
电子设备热设计第三讲
电子设备热设计第三讲
▪ 散热器冷却方式的判据
▪ 对通风条件较好的场合：散热器表面的热流密度小于 0.039W/cm2，可采用自然风冷。
▪ 对通风条件较恶劣的场合：散热器表面的热流密度小 于0.024W/cm2，可采用自然风冷。
▪ 对通风条件较好的场合，散热器表面的热流密度大于 0.039W/cm2而小于0.078W/cm2，必须采用强迫风 冷。
▪ 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。
types可由横切的方式产生各种形式的针状翅片 Limited by height-to-gap ratio and fin
thickness that can be achieved by machining 高宽比限制可高至6，使用特殊磨具设计可达10
电子设备热设计第三讲
肋片散热器的传热分析－假设
§
§① 肋片上任何一点的温度不随时间 变化；
§② 肋片材料的材质均匀，导热系数 为常数；
§③ 肋片与环境之间的对流换热表面 传热系数为常数；
§④ 周围环境流体的温度为常数； §⑤ 肋片仅在其高度方向有温度梯度； §⑥ 在肋片根部不存在接触热阻； §⑦ 肋片根部温度均匀且为常数； §⑧ 肋片内部无热源； §⑨ 忽略肋端面和侧面的对流换热。
➢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。
➢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。
▪ 散热器冷却方式的判据
▪ 对通风条件较好的场合：散热器表面的热流密度小于 0.039W/cm2，可采用自然风冷。
▪ 对通风条件较恶劣的场合：散热器表面的热流密度小 于0.024W/cm2，可采用自然风冷。
▪ 对通风条件较好的场合，散热器表面的热流密度大于 0.039W/cm2而小于0.078W/cm2，必须采用强迫风 冷。
▪ 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。
types可由横切的方式产生各种形式的针状翅片 Limited by height-to-gap ratio and fin
thickness that can be achieved by machining 高宽比限制可高至6，使用特殊磨具设计可达10
电子设备热设计第三讲
肋片散热器的传热分析－假设
§
§① 肋片上任何一点的温度不随时间 变化；
§② 肋片材料的材质均匀，导热系数 为常数；
§③ 肋片与环境之间的对流换热表面 传热系数为常数；
§④ 周围环境流体的温度为常数； §⑤ 肋片仅在其高度方向有温度梯度； §⑥ 在肋片根部不存在接触热阻； §⑦ 肋片根部温度均匀且为常数； §⑧ 肋片内部无热源； §⑨ 忽略肋端面和侧面的对流换热。
➢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。
➢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。
电子组装工艺和设备第二章电子设备的热设计第1节概述-PPT文档资料
对流换热量的计算关系为：
Q t t F tF w f
Q—对流换热量；
tw、tf—壁面和流体的平均温度； F—换热面积，； α —平均对流换热系数，它表示当流体和 壁面的温度差为1℃时，在单位时间内单 位壁面面积和流体交换的热量，它的大小 说明对流换热的强弱。
将上式改写成
在流体和平板的温度不随时间变化 的情况下，整个的传热过程如下： 左边的热流体将热量首先传递给左 侧板面，然后此热量由左侧板面传递 给右侧板面，最后同一热量又由右侧 板面传递给冷流体，可以看作是一个 对流换热-导热-对流换热的综合过程， 从而实现了热量从热流体通过间壁传 递给冷流体的过程。
从热流体到左侧壁面的热传递属于对流换 热过程，其传递的热量为
热设计定义 就是根据传热学的基本原理,采取各种 散热手段，使设备的工作温度不超过其极 限温度，从而保证电子设备在预定的环境 条件下稳定可靠地工作。
热设计分类 按传热机理： 自然冷却 强迫冷却 液体冷却 蒸发冷却
冷却方法的选择 依据：热流密度、表面散热功率系数、 体积发热功率系数 热流密度：单位面积（1平方米）的截面内 单位时间（1秒）通过的热量。 表面散热功率系数：单位面积内所能散发 出去的功率大小。 体积发热功率系数：单位体积内发热功率 的大小。
KF F F 2 F 1
即它是三个热阻的串联， 热流体的对流换热热阻1/(1F)； 平壁的导热热δ /(λ F)； 冷流体的对流换热热阻1/(2F)
热的传递方式
热是物体的内能，称为热能。哪里有 温度差，哪里就有换热现象，就有热 量传递。热量总是自发地由高温物体 传向低温物体。 热能的传递方式主要有三种：热传导、 对流换热、辐射换热。
第二篇 传热理论基础(电子设备热设计)
LPA 法 ( Lumped Parameter Analysis） 将物体中连续分布的质量和热量均视为 集总于一点
10
接触热阻
影响因素：
实际接触点的总面积及分布规律； 接触表面粗糙度； 非接触间隙平均厚度； 间隙介质的种类； 接触表面硬度； 接触表面间压力； 接触面氧化程度与清洁度；
11
接触热阻与压力的关系
层流 laminar 紊流 turbulent
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）所发生的流体不则流动。图2.5 紊流特征
17
对流换热基本规律
18
对流换热影响因素总结
流体流动特征 流体的物性参数 换热面的几何形状 流体的相变条件（沸腾、凝结、升华）
m
x; L
速度
F
长度
时间
L
力
热量
23
白汉金 定律
如果某个齐次方程的物理变量有 m 个，则可以用 (m-n) 个独立的无量纲的数组来支配。其中 n 是 m 个物理变 量中的基本量纲数。 换言之：描写物理现象的方程，一定是量纲的齐次方 程。而这些齐次方程均可化为一个无量纲的乘积的形 式来表示。
k
k
26
对流换热—量纲分析法
hc—f (w , , , cp , k , D) = 0
（1，2，3）= 0
如果某个齐次方程的物理变量有7个，其中近4个基本量纲量，则该方 程也可以用3个独立的无量纲数组来支配。
任选hc= f (w , , , cp , k , D) 中的D， , , k 为基本变量，可得：
.
特征尺寸
10
接触热阻
影响因素：
实际接触点的总面积及分布规律； 接触表面粗糙度； 非接触间隙平均厚度； 间隙介质的种类； 接触表面硬度； 接触表面间压力； 接触面氧化程度与清洁度；
11
接触热阻与压力的关系
层流 laminar 紊流 turbulent
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）所发生的流体不则流动。图2.5 紊流特征
17
对流换热基本规律
18
对流换热影响因素总结
流体流动特征 流体的物性参数 换热面的几何形状 流体的相变条件（沸腾、凝结、升华）
m
x; L
速度
F
长度
时间
L
力
热量
23
白汉金 定律
如果某个齐次方程的物理变量有 m 个，则可以用 (m-n) 个独立的无量纲的数组来支配。其中 n 是 m 个物理变 量中的基本量纲数。 换言之：描写物理现象的方程，一定是量纲的齐次方 程。而这些齐次方程均可化为一个无量纲的乘积的形 式来表示。
k
k
26
对流换热—量纲分析法
hc—f (w , , , cp , k , D) = 0
（1，2，3）= 0
如果某个齐次方程的物理变量有7个，其中近4个基本量纲量，则该方 程也可以用3个独立的无量纲数组来支配。
任选hc= f (w , , , cp , k , D) 中的D， , , k 为基本变量，可得：
.
特征尺寸
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
电子设备热设计基本知识
•热设计的有关概念
•对流：固体表面与流体表面传热的主要方式。 •自然对流：流体的运动是由于流体密度差和温度梯度引起的。
•在自然对流传热中，上部较冷流体与底 部较热流体间的密度差引起流体温升
•热设计的有关概念
•强迫对流：流体的运动是由外力（如风机、风扇或泵）造成的。
•强迫对流
•热设计的有关概念
• 压降：当流体流经固体物质或物体在导管内流动时 ，摩擦、流动面积的限制或方向的突变会阻止这种流动 。结果产生压力损失或压力下降。 • 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。
热设计的目的
• 电子设备的热设计系指利用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 ，以对它们的温升进行控制，从而保证电子设备或系统正 常、可靠地工作。 • 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的 比例分别为60％、20％、20％。
热设计的有关概念
•（5） 热流密度 • 单位面积的热流量。 •（6） 体积功率密度 • 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、系统热 阻） 。温差越大，热流量就越大。△T＝RQ 热阻的单位是 ℃/W。
•热设计的有关概念
•内热阻： • 产生热量的点或区域与器件表面指定点（安装表面）之间的 热阻。晶体管和微电路的内热阻是指结到外壳间的热阻θjc。外 热阻： • 器件上任意参考点（安装表面）与换热器间，或与设备、冷 却流体或环境交界面之间的整个热阻。 •系统热阻： • 设备外表面与周围空间或换热器与冷却流体间的热阻。
•热设计基本考虑
热设计培训讲义
4
W /m
2
注：上面两个公式中的温度均为绝对温度，而非摄氏温度。
黑度ε（发射率）：取决于物体温度、种类和表面状况，与 颜色无关。
灰体：其黑度和吸收比与波长无关的理想体。灰体的吸收比 恒等于同温度下的黑度。一般工程材料均可当成灰体处理 ⑵ 辐射换热的网络分析法 思路：把辐射换热模拟成相应的电路系统。 做法：引入两个辐射换热热阻。
1.5 稳态传热
1.6 瞬态传热 1.7 耗散功率的规定
1.1 引言
电子元件的热封装和热设计 电子设备热控制技术的发展 热控制的基本目的：防止电子元件严重 的热损坏
1.2 热源和热阻
电子设备工作过程中可能的三种热量来源
① ② ③ 功率元件耗散的热量：电能→热能 周围环境传递给设备的热量 大气中高速运动的设备由摩擦引起的增温
工程中肋片散热量的计算步骤：
⑴ 计算当量肋高
等截面矩形肋 l c l / 2
l = r2 r1 矩形截面环行肋 l c l / 2 r r l 0 1 c
三角形肋
lc = l
f
th ( m l c ) m lc
⑵ 计算肋效率
⑶ 计算理想情况下的肋片散热量
定义肋效率：
f
肋片实际散热量 按肋片基部温度计算的散热量
＝
Q Q0
在上述分析条件下，通过能量守恒定律及傅立叶导热定律，可以得 到肋片效率的计算公式为：
f
th ( m l c ) m lc
U
α—— 对流换热系数； m λ—— 肋片导热系数 Ac U —— 横截面周长； lc—— 当量肋高； AC —— 横截面面积。
电子产品热设计与工程案例分析PPT课件
解决热阻的办法，两方面入手： ➢ 控制电子元器件的内热阻 ➢ 控制电子元器件或整机设备的外热阻。
1.2 热源与热阻
热阻定义：Biblioteka RtT Q( K/W)
外热阻的控制方式： （1）散热
利用空气或液体作为冷却介质，靠自然对流或强制对流方式，带走耗热。 （2）制冷
利用热电冷却、固体升华过程吸热、液氮蒸发过程吸热等方式进行制冷，使设备工作环境温度低于 周围环境温度。 （3）恒温
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。
应用例：芯片封装
热阻的电网络模拟 从晶片传到外壳经过5个环节 • 晶片的热阻； • 晶片粘接剂（导热胶）热阻 • 基底(substrate)的热阻 • 基底粘接剂（焊锡）热阻 • 封装(package)的热阻
• 定义3——利用热传递特性，针对耗热对象，采用合适的结构设计和冷却技术，对其温升进行控制， 保证其正常、可靠工作。
1.1 准确认识热设计
➢ 热设计分科界定
（1）热设计（热结构） 在所处环境下，合理设计热传递结构、冷却方法，保障设备内所有元器件不超过最高允
许温度。
（2）热分析（热模拟） 利用数理模型，或通过计算机模拟，在设计阶段获得温度分布，预先发现产品的热缺陷，
自然对流
Nu c(GrPr)n
强迫对流
Rt
1
A
Nu cRemPrn
几个准则数的计算公式及物理意义：
努塞尔数： 雷诺数：
普朗特数： 格拉晓夫数：
Nu
L
对流换热 导热
Re
uL
惯性力 粘性力
Pr
cp
动量扩散 热量扩散
Gr
1.2 热源与热阻
热阻定义：Biblioteka RtT Q( K/W)
外热阻的控制方式： （1）散热
利用空气或液体作为冷却介质，靠自然对流或强制对流方式，带走耗热。 （2）制冷
利用热电冷却、固体升华过程吸热、液氮蒸发过程吸热等方式进行制冷，使设备工作环境温度低于 周围环境温度。 （3）恒温
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。
应用例：芯片封装
热阻的电网络模拟 从晶片传到外壳经过5个环节 • 晶片的热阻； • 晶片粘接剂（导热胶）热阻 • 基底(substrate)的热阻 • 基底粘接剂（焊锡）热阻 • 封装(package)的热阻
• 定义3——利用热传递特性，针对耗热对象，采用合适的结构设计和冷却技术，对其温升进行控制， 保证其正常、可靠工作。
1.1 准确认识热设计
➢ 热设计分科界定
（1）热设计（热结构） 在所处环境下，合理设计热传递结构、冷却方法，保障设备内所有元器件不超过最高允
许温度。
（2）热分析（热模拟） 利用数理模型，或通过计算机模拟，在设计阶段获得温度分布，预先发现产品的热缺陷，
自然对流
Nu c(GrPr)n
强迫对流
Rt
1
A
Nu cRemPrn
几个准则数的计算公式及物理意义：
努塞尔数： 雷诺数：
普朗特数： 格拉晓夫数：
Nu
L
对流换热 导热
Re
uL
惯性力 粘性力
Pr
cp
动量扩散 热量扩散
Gr
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。
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。
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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热设计的有关概念
内热阻： 产生热量的点或区域与器件表面指定点（安装表面）之间的 热阻。晶体管和微电路的内热阻是指结到外壳间的热阻θjc。 外热阻：
器件上任意参考点（安装表面）与换热器间，或与设备、冷
却流体或环境交界面之间的整个热阻。 系统热阻： 设备外表面与周围空间或换热器与冷却流体间的热阻。
热设计的有关概念
传递给电子设备。
（3）电子设备与大气环境产生相对运动时，各种摩擦引起的增温。
热设计的目的
电子设备的热设计系指利用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， 以对它们的温升进行控制，从而保证电子设备或系统正常、
可靠地工作。
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 的比例分别为60％、20％、20％。
元器件类别 基本失效率，λ b（10-6/h） 高 温 室 温 温升 △T（℃） 高温与室温 失效率之比
PNP硅晶体管 NPN硅晶体管 玻璃电容器
0.063（在130℃和 应力比0.3） 0.033（在130℃和 应力比0.3） 0.047（在120℃和 应力比0.5） 0.0267（在85℃） 0.0065（在100℃和 应力比0.5）
热设计的有关概念
（1）热设计
利用热传递特性通过冷却装置控制电子设备内部所有电子元器件的温度，
使其在设备内所处的工作环境条件下，不超过规定的最高允许温度的设计技术。
（2）热评估：评估电子设备热设计是否合理的方法和手段。
（3）热分析 又称热模拟，是利用数学的手段，通过计算机模拟，在电子设备的设计阶
段获得温度分布的方法，它可以使电子设备设计人员和可靠性设计人员在设计
以金属膜电阻器为例： 金属膜电阻器的工作失效率计算公式如下：
p b E Q R
平均故障间隔时间（MTBF）是表征电子设备可靠性的一个主要 参数，当电子设备寿命呈指数分布时，其平均故障间隔时间：
MTBF ＝
1
P
该式中：
P
P1 P 2 p n
热对系统可靠性的影响
据统计 （1）电子设备的失效原因中有55％是由于温度过高引起的。 （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
电子设备经受的热应力来源于以下几个方面： （1）工作过程中，功率元件耗散的热量。 （2）电子设备周围的工作环境，通过导热、对流和辐射的形式，将热量
Sink
热设计的有关概念
对流：固体表面与流体表面传热的主要方式。
自然对流：流体的运动是由于流体密度差和温度梯度引起的。
在自然对流传热中，上部较冷流体与底 部较热流体间的密度差引起流体温升
热设计的有关概念
强迫对流：流体的运动是由外力（如风机、风扇或泵）造成的。
强迫对流
热设计的有关概念
压降：当流体流经固体物质或物体在导管内流动时， 摩擦、流动面积的限制或方向的突变会阻止这种流动。 结果产生压力损失或压力下降。
/q
t
Rt2
Rt3
Rt = t / Q
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
电子设备热设计
付桂翠
北京航空航天大学
电子设备热设计
一．热设计基本知识 二．热设计理论基础 三．热设计的方法 四．热分析 五．热试验
热设计基本知识
热对系统可靠性的影响
热设计的目的 热设计的有关概念 热控制的，它导致元器件 性能改变甚至失效，从而引起整个电子设备的故障。
初期就能发现产品的热缺陷，从而改进其设计，为提高产品设计的合理性及可 靠性提供有力保障。
（4）热试验：将电子设备置于模拟的热环境中，测量其温度或温度分布。
热设计的有关概念
（5） 热流密度 单位面积的热流量。 （6） 体积功率密度 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、系统 热阻） 。温差越大，热流量就越大。△T＝RQ 热阻的单位是 ℃/W。
0.0096（在25℃和应力 比0.3） 0.0064（在25℃和应力 比0.3） 0.001（在25℃和应力 比0.5） 0.0008（在25℃） 0.0003（在25℃和应力 比0.5）
105
7:1
105
5:1
95
47:1
变压器与线圈 碳膜合成电阻器
60 75
33:1 22:1
热对系统可靠性的影响
故 0.30 障 率 故 0.20 障 0.15 数
0.10 0.05 0 50 微电子器件(CMOS器件) 微电子器件(双级数字电路) 晶体管(硅50%) 可变电阻 电阻 100 150 200
(
F/106h)
温度(℃)
图1 元器件的失效率与温度的关系
热对系统可靠性的影响
不同工作温度部分元器件的基本失效率(摘自GJB/Z 299B）
接触热阻：当热通过两个接触表面的交界面时，出现 一种导热的特殊情形。在接触面上有很大的温差。
接触表面之间的交界面是效率很低的传热通路 降低接触热阻的有效方法：接触面积大；表面平滑；接触 材料软；接触压力大；接触压力均匀；在交界面上有导热填充 剂。
热设计的有关概念
（8） 热阻网络 热阻的串联、并联或混联形成的热流路径图。 （9）功耗 电子设备工作时需要电功率，因为元器件并非完全 有效，因而有不少功率转换成热。如果找不到一条通 路来散热，温度就会升高。最重要的热流量是功耗。 （10） 冷板 利用单相流体强迫流动带走热量的一种换热器。 （11）热沉 是一个无限大的热容器，其温度不随传递到它的 热能大小而变化。它可能是大地、大气、大体积的水 或宇宙等。又称热地。也称“最终散热器”。Heat
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