电子设备热设计基础(电子部讲课做讲义用)
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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）
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 热控制的基本形式
热对系统可靠性的影响
高温对大多数元器件将产生严重影响，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。
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％。
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
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
/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
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。
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
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
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
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
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。
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）
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
来自百度文库
P1 P 2 p n
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）
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 热控制的基本形式
热对系统可靠性的影响
高温对大多数元器件将产生严重影响，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。
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％。
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
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
/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
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。
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
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
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
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
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。
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）
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
来自百度文库
P1 P 2 p n