产品热设计基础.ppt

热传导
常用材料的导热系数
材料
导热系数 (w/m.k) 材料
导热系数 (w/m.k)
铝合金 纯铝 6063 192 220
防锈铝 压铸铝 紫铜 LF21 ACD12 150 120 386
黄铜 140
云母 0.71
三氧化 二铝陶 瓷
35
硅脂 0.5
导热绝 氮化铝 空气 缘材料 陶瓷
1-4
370 0.03
风扇的基本知识
通风机的特性曲线：指通风机在某一固定转速下工作，静压、效率和功 率随风量变化的关系曲线。
系统的阻力特性曲线：是指流体流过风道所产生的压力随空气流量变化 的关系曲线，与流量的平方成正比。
通风机工作点： 系统(风 道)的特性曲线与风机的 静压曲线的交点就是风 机的工作点。
风道的局部阻力与沿程 阻力：局部阻力指由于风 道的截面积发生变化而引 起的压力损失； 沿程阻力 指由于流体粘性而引起的 压力损失。
为什么要进行热设计
电子器件发热 功率密度越来越高 高温对电子产品的影响：
- 元器件损坏 - 绝缘性能退化 - 材料热老化 - 低熔点焊缝开裂、焊点脱落
高温对元器件的影响：
- 电阻阻值变化 - 电容寿命缩短 - 变压器、扼流圈绝缘材料性能下降 - 晶体管烧坏
为什么要进行热设计
Figure 1 : Junction Life Statistics
热设计验证：解决遗留的、涉 及面比较小的散热问题
热设计方案判定标准
公司的降额规范
1. 结温 2. 电磁元件的绕组及铁芯最高温度
安规要求：机箱表面温度限制等 采用的散热方式有较高的可靠性和经济性
主要内容
1.概述
2.热设计基础知识
3.热电模拟方法 4.风扇知识 5.热设计的基本原则 6.热仿真知识简介 7.热设计验证方法
- 按轴承类别分：有滚动轴承及含油轴 承(轴瓦轴承)两类，由于含油轴承的使 用寿命比滚动轴承低的多，一般电子 设备均采用滚动轴承。
- 按输入电源类型分：有直流风扇和交 流风扇两大类。
风扇的基本知识
吹风与抽风方式的选择原则
优先采用吹风方式，吹风有如下优点： - 风量相对较) 温差 △T=T 2-T1(℃)
热阻 Rth=△T/P( ℃/W)
热容 C＝mCp(cal/ ℃) 热阻的串联： Rth =R th1 +R th2 +........... 热阻的并联： 1/R th=1/R th1+1/R th2+.......
电路 电流 I(A) 电压 Vab＝ Va-Vb(V) 电阻 R＝I/V ab(欧姆 ) 电容 C(法) 电阻的串联： R=R 1+R2+...........
热设计基础知识
传热三个途径 传导、对流和辐射 它们可以单独出现， 也可以两种或三种
同时出现
热传导
机理：传导是发生在两种直接接触的介质（固 体，液体，气体）
传导过程中，能量主要通过以下方式传递:
–自由电子运动（固体金属） –分子晶格振动弹性波（一般固体和液体） –分子不规则热运动（气体）
热传导
Q＝5.67×10-8ε12f12F辐射(T14-T24) ε12---- 系统黑度，ε12＝1/(1/ε1+1/ε2-1) ε1，ε2----分别为物体1和物体2的黑度; f12------ 角系数 F辐射 ---物体的辐射面积，m2; T1, T2--分别为物体1和物体2的绝对温度，K
黑度：实际物体的辐射力和同温度下黑体的辐射力之比，它取决于物体 种类、表面状况、表面温度及表面颜色。
热辐射
增强辐射散热的主要措施
- 在零部件或散热片上涂覆黑色粗糙的漆，增大其辐射系数， 从而增强辐射能力；热敏感元件的表面应做成光亮的表面， 减小其辐射系数，从而减小吸收辐射热量；
- 加大辐射体的表面积； - 设法降低设备周围的温度，加大辐射体与周围环境的温差。
主要内容
1.概述 2.热设计的基础知识
5 W/m2K 25 W/m2K 15,000 W/m2K 200,000 W/m2K
对流
Cooling effect, W area (fin/air) and heat
transfer coefficient
自然对流
180 160 140 120 100
80 60 40 20
0 5
optimal
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，可分为导热热阻，对流热阻，辐射热阻及接触热阻四类。
热电模拟法
导热热阻： R导=δ/(λF)
对流热阻： R对=1/（α对F）
辐射热阻 R辐=1/（α辐F）
δ
F F
α
热电模拟法
Fin height 80 mm
10
15
fin spacing, mm
5 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 20
Effect_conv h, W/m2K area, m2
对流
自然对流，散热器方向
gravity
对流
强制对流
高流阻
低流阻
最佳工作区
风扇特性曲线
对流
表观面积与有效散热面积
电阻的并联： 1/R=1/R 1+1/R 2+.......
热电模拟法
热路及热网络的案例分析
热阻串联
Rtotal = Rth j-a = Rth j-c + Rth c-a
热阻并联
Rtotal
Rth j-a = Rth j-c + Rth c-a Rth j-p-a = Rth j-p + Rth p-a
1
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
10
20
30
40
50
60
Fin height, mm
apparent cooling area effective cooling area Fin efficiency
Heat flow
对流
影响对流换热的因素
- 流体的物理性质（流体的导热系数、比热容、密度和动力粘 度等）；
- 如果已知器件芯片到环境的热阻Rth(j-a)，环境温度，则器件的工作 结温为：
Tj=Ta+ PT×Rth(j-a)
主要内容
1.概述 2.热设计的基础知识 3.热电模拟方法
4.风扇知识
5.热设计的基本原则 6.热仿真知识简介 7.热设计验证方法
风扇的基本知识
风扇的种类
- 按工作类型分：有轴流风扇和离心风扇、混流风扇三类。 轴流风机：风量大，压头小，噪音小 离心式风机：风压较高，一般适应于 阻力较大的发热元器件或机柜冷却
Figure 2: Major Causes of Electronics Failures
20%振动
55%温度
6%粉尘
19%潮湿
(Source : US Air Force Avionics Integrity Program)
热设计就是根据电子元器件的热特性和传热学的原理，采取 各种结构措施控制电子设备的工作温度，使其在允许的温度范围 之内。
Q＝αF对△t=△t/R对 α---- 对流换热系数，W/m2.K或/m2.℃; F对--- 有效对流换热面积，m2； △T---- 温差，℃; R对流----- 对流热阻, ℃/W
对流换热系数：反映两种介质间对流换热过程的强 弱，表明当流体与壁面的温差为1 ℃时，在单位时间通 过单位面积的热量，单位为W/m2.K或W/m2.℃。
铁 63 氧化铍
272.1
热传导
增强热传导的主要措施
- 选用导热系数较大的材料（金属材料）制造热传导零件； - 最大限度地减少接触热阻（适当增大热传导零件间的接触面积和压力， 在两接触面间涂导热硅脂或垫入软金属箔等）； - 尽量缩短热传导路径，热传导路径中不应有绝热或隔热元件。
Heat sink
怎么进行热设计
理论分析
- 较少问题可获得分析解 - 定性分析
数值模拟
- 获得数值解 - 目前解决复杂传热问题的主要手段
测试
热设计实施过程
产品规格定义和系 统设计阶段
产品正式开发阶段
整机试装阶段
初步热设计：散热方式选择、 风道设计、指导单板布局
详细热设计：详细风道设计、 单板关键器件热分析和温度控 制、散热器（风扇）的选择和 分析
Heat source
对流
对流换热机理：
对流换热是发生在有温差的固体表面和运动流体 （气体或液体）间的换热过程，对流可以是自然和强 迫对流。自然对流是由冷、热流体温度变化引起的流 体内部密度差而产生的流动；强迫对流则是由外部方 式（泵或风机）造成的流体内压力不同引起的流动。
对流
对流换热的基本方程
- 能够有效防止风扇马达过热，提高风扇的使用寿命。 - 可以以较大的压力迫使灰尘不能够在机箱内聚积，而通过出风口或缝隙 流出。
只有在以下情况下才选择抽风： - 希望流场规则；各部分风量比较均匀，适用于热量分散的整机或机箱。
- 进风口无法安装风扇。 - 不希望风扇马达加热空气而对后面的元器件产生影响。 - 不希望热风吹到客户。
q = h·A ·(Ths-Tair)
T_fin = T_air Low efficiency
fin area, mm2 fin efficiency
120 100
80 60 40 20
0 0
forced air-cooling, medium speed fin thickness t=0.7 mm