电子设备热设计散热技术与方法选择数据分析

电子设备热设计散热技术与方法选择数据分析

作者：唐田

来源：《科学与信息化》2016年第31期

摘要热设计关系到电子设备是否能安全可靠的运行。本论文根据热力学散热理论，从散热方法的选择以及基板上器件的布局等方面说明了电子设备结构设计中热设计的方法及重要性，介绍了最新的散热技术与方法。

关键词电子设备；可靠；散热

1 概述

近些年，微电子技术突飞猛进，多功能、高密度封装、高速运转、体积小等特点的器件在电子设备中应该越来越广泛，引起了相应电子设备的热流密度集中放大。要保证电子设备可靠、稳定工作，必须对整个设备有良好的热设计，提高散热能力和速度，从而提高产品的可靠性和安全性。电子设备的热设计是指通过元器件选择、电路设计、结构设计和布局来减少温度对产品可靠性的影响，使设备能在较宽的温度范围内工作。热设计的目的是：保证电器性能稳定，避免或减小电参数的温度漂移；降低元器件的基本失效率，提高设备的平均无故障工作时间；减缓机械零部件氧化、老化、疲劳以及磨损等进程，从而延长电子设备的使用寿命[1]。

2 热设计的基础

电子设备的热设计应根据所要求的设备可靠性和分配给每个器件的失效率，利用元器件应力分析预计法，确定元器件的最高允许工作温度和功耗，使热设计满足可靠性的要求；另外，充分考虑设备预期工作的热环境，包括环境温度和压力的极限值、变化率、太阳或周围其他物体的辐射热载荷、可利用的热沉状况以及冷却剂的种类、温度、压力和允许的压降等。最后，热设计还应符合相关的标准和规范规定的要求[2]。

3 冷却技术应用的条件

目前冷却方法分为直接冷却、间接冷却（即把内部的热源导到散热片上）、蒸发冷却、自然冷却（包括导热、自然对流、辐射换热）、热管传热、强迫冷却（强迫风冷和强迫液体冷却）等[3]。

3.1 当温升条件为40℃时，不同冷却方法带来的热流密度和体积功率密度值如图1和图2所示。

3.2 温升要求不同的各类设备冷却，可参照热流密度和温升的要求（图3）进行选择。

3.3 冷却方法案例所示功耗为300 W的电子组件，将其装在机柜里，放在正常室温的空气中，分析对此机柜采用特殊冷却措施的具有不必要性，且可将机柜体积进行适当缩减。

4 电子设备的热设计

对于内部安装空间小，同时受实际工作环境限制的部件，其热设计都采取自然冷却方式。自然冷却包括热屏蔽和热隔离、印制板设计、传导冷却、结构设计几大方面。

4.1 热屏蔽与热隔离

热屏蔽和热隔离对减少元器件之间热传递、保护温度敏感的器件效果明显。将热流通路直接连接到热沉；减少元件之间的辐射耦合；降低冷却剂的温度梯度；将高温器件装在内表面高黑度、外表面低黑度的外壳中，并且保证外壳与散热器有良好的导热连接；保持引线足够粗大。

4.2 印制板设计

常用的PCB板平行方向的导热能力要强于法向方向。为增加PCB的导热能力，可采用金属散热的印制板。金属基板的散热性能好，占据了大部分需要散热片的场合。但由于金属与环氧玻璃树脂热膨胀系数差别较大，如果胶接不当，可能会引起电路板的变形，因此，在设计印制板时要充分考虑电子器件的布局。

4.3 电子器件的布局

印制板上的电子器件主要依靠传导提供一条从元器件到印制板以及结构件的低热阻路径来完成冷却。为了降低此热阻，可用导热绝缘胶将器件直接粘到印制板或导热条上，来减小元器件与印制板的间隙；安装大功率器件时，可考虑用导热硅橡胶片作为绝缘片；有不同规模的集成电路混合安装的情况下，应尽量把大规模的集成电路放在冷却气流的上游，小规模的集成电路放在下游，以使印制板上的电子器件温升趋于均匀。

4.4 传导冷却

导热通路中的接触热阻是比较大的热阻，其产生的主要原因是两个看似相互接触的面之间实际上并不完全贴合，而是只有某些点接触所致。因此，适当增加两个接触面上的压力可以有效地减小接触热阻。有实验数据表明，接触缝隙内是真空或低气压时，接触热阻会显著增大，要想在这样的环境中传递热量，必须提供刚性的接触面。

4.5井结构设计

采用自然冷却的电子设备主要以外壳体为气流的通道，要保证开孔的大小要与冷却空气进出流速相适应，同时要遵照进出风孔尽量远离，且进风口在下，出风口在上的原则；底座或支

架要与外壳体有良好的导热连接，因为热路中的大部分热阻存在于交界面处，所以金属间接触必须清洁，才能保证接触面积尽可能大；并在壳体内外表面涂漆来降低内部器件的温度。

4.6 结构材料的选择

电子设备结构常用的有铝型材搭建成型，各种冷轧与热轧薄钢板材通过剪裁、冲压、弯曲等手段可制成各种机箱零件焊接成型及铸铝铸造成型的。大多数铸铝箱体采用自然冷却方法，散热量取决于机箱表面积。若要求机箱的温升保持在一定的范围内，对给定的机箱表面积，所能散发的热量是有限度的。若超出了限度就要选择通风机箱或是采取强制风冷。机箱表面积与散热限度的关系如图4：

铝型材搭建成型的机箱与焊接成型的机箱常用强制风冷通风。强制风冷机箱主要经由机箱表面散热和强制通风带走热量来进行散热。

5 总结

由于很多管理人员及技术人员没有深刻理解热设计及热管理对设备可靠性所起的作用，缺乏热设计的知识，其结果是使设备成本增大。实际应用中，只要在热设计及热管理上下功夫就可以节约大量设备成本。电子设备的热设计是必不可少的，在设备的可靠性管理中必须包括热管理，对设备有热设计要严格要求，研制部门必须具有较强的热设计的能力，管理机构需有完整有效的热管理程序。设备的总体设计（包括元器件、材料、外购件的选用）、布局（包括结构设计）、环境设计中必须包括热设计。热设计应贯穿在电子设备设计的全过程，并且要与其他设计共同协作，使电子设备具有一个良好的稳定性。

参考文献

[1] 陆廷孝，郑鹏洲.可靠性设计与分析[M].北京：国防工业出版社，1995：79-82.

[2] GJB/Z 27- 1992，电子设备可靠性热设计手册[S].北京：中国标准出版社，1992.

[3] 肖诗唐，钱祖权，华泉宝.电子工艺设备可靠性讲义[M].北京：电子工业部元器件管理局，1986：29-33.