电子产品热设计

1、电子产品热设计目录摘要：2第1章电子产品热设计概述： 2第1.1节 电子产品热设计理论基础 21.1.1 热传导：21.1.2 热对流21.1.3 热辐射2第1.2节热设计的基本要求3第1.3节热设计中术语的定义 3第1.4节电子设备的热环境3第1.5节热设计的详细步骤4第2章电子产品热设计分析 5第2.1节 主要电子元器件热设计 52.1.1 电阻器52.1.2 变压器5第2.2节 模块的热设计 5电子产品热设计实例一：旧M“芯片帽”芯片散热系统 6第2.3节 整机散热设计 7第2.4节机壳的热设计8第2.5节冷却方式设计：92.5.1 自然冷却设计92.5.2 强迫风冷设计 9电子产品热设

2、计实例二：大型计算机散热设计：10第3章散热器的热设计 10第3.1节 散热器的选择与使用 10第3.2节 散热器选用原则 11第3.3节散热器结构设计基本准则 11电子产品热设计实例三：高亮度 LED封装散热设计 11第4章 电子产品热设计存在的问题与分析： 15总结15参考文献15电子产品热设计电子产品热设计摘要：电子产品工作时，其输出功率只占产品输入功率的一部分，其损失的功率都以热能形式散发出去，尤其是功耗较大的元器件， 如：变压器、大功耗电阻等，实际上它们是一个热源， 使产品的温度升高。因此，热设计是保证电子产品能安全可靠工作的重要条件之一，是制约产品小型化的关键问题。另外，电子产品的

3、温度与环境温度有关，环境温度越高，电子产品的温度也越高。由于电子产品中的元器件都有一定的温度范围，如果超过其温度极限，就将引起产品工作状态的改变，缩短其使用寿命，甚至损坏，使电子产品无法稳定可靠地工作。第1章 电子产品热设计概述：电子产品的热设计就是根据热力学的基本原理，采取各种散热手段， 使产品的工作温度不超过其极限温度，保证电子产品在预定的环境条件下稳定可靠地工作。第1.1节 电子产品热设计理论基础热力学第二定律指出：热量总是自发的、不可逆转的，从高温处传向低温处，即：只要 有温差存在，热量就会自发地从高温物体传向低温物体，形成热交换。热交换有三种模式： 传导、对流、辐射。它们可以单独出现

4、，也可能两种或三种形式同时出现。1.1.1 热传导：气体导热是由气体分子不规则运动时相互碰撞的结果。 金属导体中的导热主要靠自由电 子的运动来完成。非导电固体中的导热通过晶格结构的振动实现的。液体中的导热机理主要靠弹性波的作用。1.1.2 热对流对流是指流体各部分之间发生相对位移时所引起的热量传递过程。对流仅发生在流体中，且必然伴随着有导热现象。流体流过某物体表面时所发生的热交换过程，称为对流换热。由流体冷热各部分的密度不同所引起的对流称自然对流。若流体的运动由外力（泵、风机等）引起的，则称为强迫对流。1.1.3 热辐射物体以电磁波方式传递能量的过程称为热辐射。辐射能在真空中传递能量，且有能量

5、方电子产品热设计式的转换，即热能转换为辐射能及从辐射能转换成热能。第1.2节热设计的基本要求电子产品热设计应首先根据设备的可靠性指标及设备所处的环境条件确定热设计目标， 热设计目标一般为设备内部元器件允许的最高温度，根据热设计目标及设备的结构、体积、 重量等要求进行热设计， 主要包括冷却方法的选择、元器件的安装与布局、印制电路板、电阻、电抗器、变压器、模块散热结构的设计和机箱散热结构的设计。电子设备的热设计要与电路设计和结构设计同时进行，满足设备可靠性的要求。 热设计与维修性设计相结合，可提高设备的可维修性。第1.3节 热设计中术语的定义热特性：设备或元器件的温升随热环境变化的特性，包括温度、

6、压力和流量分布特 征。 热流密度：单位面积的热流量。 热阻：热量在热流路径的阻力。(4)内热阻：元器件内部发热部位与表面某部位之间的热阻。 安装热阻：元器件与安装表面之间的热阻，又叫界面热阻。(6)温度稳定：温度变化率不超过每小时2c时，称为温度稳定。温度梯度：等温面的法向方向上单位距离所引起的温度增量定义为温度梯度。紊流器：提高流体流动紊流程度并改善散热效果的装置。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。它也可能 是大地、大气、大体积的水或宇宙，又称热地。过去我们也称为“最终散热器“，也就是我 们将在后面讨论的热电模拟回路中的接地点。对空用和陆用设备而言，周围的大气就

7、是热沉。第1.4节电子设备的热环境各类电子设备使用场所的热环境的可变性是热控制的一个必须考虑的重要因素，例如装在宇航飞行器上的电子设备在整个飞行过程中将遇到地球大气层的热环境、大气层外的宇宙空间的热环境等。导弹上工作的电子元器件所经受的环境条件比地面室内设备的环境条件恶 劣得多，它们必须满足不同环境温度和特殊飞行密封舱的压力要求，除此之外，还有机诫振动和电磁干扰等因素。电子产品热设计二一=二工ixs花 >区青富，54 ton ISO £00总度tC）图1-1元器件失效率与温度的关系电子设备的热环境包括： 工作过程中，功率元件耗散的热量。 设备周围的工作环境，通过导热、对流和辐射

8、的形式，将热量传递给电子设备。 设备与大气环境产生相对运动时，各种摩擦引起的增温。环境温度和压力（或高度）的极限值。环境温度和压力（或高度）的变化率。太阳或周围物体的辐射热。 可利用的热沉（包括：种类、温度、压力和湿度）。第1.5节热设计的详细步骤确定设备（或元器件）的散热面积、散热器或周围空气的极值环境温度范围。确定冷却方式。对少量关键发热元器件进行应力分析，确定其最高允许温度和功耗，并对其失效率加以分析。按器件和设备的组装形式，计算热流密度。由器件内热阻（查器件手册）确定其最高表面温度。确定器件表面到散热器或空气的总热阻。根据热流密度等因素对热阻进行分析与分配，并对此加以评估，确定传热方法

9、和冷却技术。选定散热方案。电子产品热设计第2章 电子产品热设计分析 第2.1节 主要电子元器件热设计2.1.1电阻器电阻器的温度与其形式、尺寸、功耗、安装位置及方式、环境温度有关，一般通过本身 的辐射、对流和引出线两端的金属热传导来散热，在正常环境温度下， 经试验得知，对功率小于0.5W的炭膜电阻，通过传导散去的热量占50%,对流散热占40%,辐射散热占10%。因此在装配电阻器时， 要使其引出线尽可能短， 以减小热阻，安装方式应使其发热量大的面 垂直于对流气体的通路，并加大与其他元器件之间的距离，以增加对流散热效果，电阻器的表面涂以无光泽的粗糙漆，可提高辐射散热能力。2.1.2变压器铁芯和线包

10、是变压器的热源，传导是其内部的主要传热途径， 因此要求铁芯与支架，支 架与固定面都要仔细加工，保证良好接触，使其热阻最小，同时在底板上应开通风孔， 使气 流形成对流，在变压器表面涂无光泽黑漆，以加强辐射散热。图2-1变压器热设计第2.2节模块的热设计模块热设计是使模块在上述任一传热路径上的热阻足够低，以保证元器件温度不超过规定值，将界面温度即散热片或导轨的表面温度控制在0c60 C。模块的热设计有两类问题：根据模块内部要求进行设计，包括界面温度、功耗和元器件的许用温度等；根据系统的环境、 封装、单个或组合的模块功耗等要求，对整个系统进行热设计。模块内部的热设计。为满足电子模块的可靠性要求， 设

11、计上必须保证模块处于最大功耗 时及在其额定界面温度下，使所有元器件的温度低于元器件的临界温度（即比有关规范规定电子产品热设计的额定值的100%低20 c的温度）。元器件的瞬态临界温度（指额定值）可看作安全因子，当散 热片和导轨温度达到80 C （比最高界面温度高 20 C ）时所有元器件的温度应低于或等于元器件的瞬态临界温度。电子产品热设计实例一：旧M “芯片帽”芯片散热系统如何将芯片发出的热量更好的传导出去，一直是硬件厂商多年努力的目标，因为更好的散热无疑意味着更高的芯片频率，更强的性能。从理论上来说，散热片和芯片表面结合的越紧密，散热效率越高。将散热片在芯片顶部压紧自然是一种方案，但压力过

12、大又会破坏芯片。IBM公司的研究人员近日发布了一项研究成果，能够大大提高芯片散热的效率。这套系统名叫“芯片帽”，或者说是高导热性接触面技术。我们之前安装CPU风扇时有这样的经验，风扇的散热片底部打磨的越光滑，在涂上导热剂之后接触越紧密，散热越好。但IBM瑞士苏黎世实验室先进散热封装小组负责人Bruno Michel根据研究表示，完全光滑平整的接触面并不是散热的最佳方案。他们从树木的根系和人的血管系统得到启发，在散热片底部开辟出了粗细不同，互相连接的渠道。也就是说，散热片的底部也通过细微的高低不 平增大了接触面积。这样，当通过硅或银质的导热介质和芯片核心接触时，旧M宣称能够带来和现有方案相比10

13、倍的散热效率。同时，加在散热片上的压力只需要之前的一半，避 免了破坏核心的可能性。Bruno Michel表示，现有风冷技术最高只能支持每平方厘米75W的散热效率，而他们的“芯片帽”可以达到每平方厘米370W,能够带给芯片厂商大得多的开发空间。同时，旧M的苏黎世实验室还在展望更加前卫的技术，名为直接喷射冲击技术。该技 术基于上面讲的多纹理接触面，又结合了液冷技术。将散热片表面的渠道体系排列的更为规 则，用最多50000个微型喷嘴直接向这些阵列喷射散热液体。而液体流经这些繁杂的渠道后，在整个封闭系统内被全部回收。如此一来，无疑能够创造更加革命性的散热效率。* Cgk咐 而电durrt *谭第 如

14、而切U J J O 3 J 5 U Q 3 U J U面izugntM.图2-2芯片帽示意图电子产品热设计图2-3构想中直接喷射冲击技术的散热片表面整机散热设计确定整机的热耗和分布。根据整机结构尺寸初步确定散热设计方案。 对确定的冷却方式进行分析 (如强迫风冷的风机数量，选型，级联方式，风道尺寸, 风量大小，控制方式等)。(4)针对分析结果可利用热分析软件进一步验证。对散热方案进行调整进而最后确定。图2-4比较优秀的整机散热设计电子产品热设计第2.4节机壳的热设计电子设备的机壳是接受设备内部热量，并通过它将热量散发到周围环境中去的一个重要热传递环节。机壳的设计在采用自然散热和一些密闭式的电子设

15、备中显得格外重要。试验表明，不同结构形式和涂覆处理的机壳散热效果差异较大。机壳热设计应注意下列问题：(1)增加机壳内外表面的黑度，开通风孔(百叶窗)等都能降低电子设备内部元器件 的温度；(2)机壳内外表面高黑度的散热效果比两测开百叶窗的自然对流效果好，内外表面高 黑度时，内部平均降温 20c左右，而两侧开百叶窗时(内外表面光亮)，其温度只降8c左右；(3)机壳内外表面高黑度的降温效果比单面高黑度的效果好，特别是提高外表面黑度 是降低机壳表面温度的有效办法；(4)在机壳内外表面黑化的基础上，合理地改进通风结构(如顶板、底板、左右两侧板开通风孔等)，加强空气对流，可以明显地降低设备的内部温度环境；

16、(5)通风口的位置应注意气流短路而影响散热效果，通风孔的进出口应开在温差最大 的两处，进风口要低，出风口要高。风口要接近发热元件，是冷空气直接起到冷却元件的作用；(6)在自然散热时，通风孔面积的计算至关重要，图3示出了通风孔面积与散热量的关系，可供设计通风口时作依据，亦可根据设备需要由通风口的散热量用下式计算通风孔的面积。S0=Q/7.4X 10-5 - H At1.5(4)式中：S0进风口或出风口的总面积 cm2；Q通风孔自然散热的热量设备的总功耗减去壁面自然对流和辐射散去的热量W；H 进出风口的高度差cm； t =t2-t1 设备内部空气温度 t2与外部空气温度t1之差0C。(7)通风口的

17、结构形式很多，有金属网，百叶窗等等，设计时要根据散热需要，既要 使其结构简单，不易落灰，又要能满足强度，电磁兼容性要求和美观大方。(8)密封机壳的散热主要靠对流和辐射，决定于机壳表面积和黑度，可以通过减小发 热器件与机壳的传导热阻，加强内部空气对流(如风机)增加机壳表面积(设散热筋片)和 机壳表面黑度等来降低内部环境温度。电子产品热设计冷却方式设计:参数福射和自然对流强迫气冷强迫液冷相变典型热容后/ N ）5D0(C. 3)1.6 *10 1(10)1. K *10*(50)L2 *1( e (800)突现最易易最复杂易到难乖埴或体枳高中低低到高噪声或振动无高低r无到低功耗无高低无液体泄漏问题

18、无一般无可能r可能能用低中岛高维修最易易发朵复朵图2-5多种冷却方式的比较2.5.1 自然冷却设计考虑到自然冷却时温度边界层较厚，如果齿间距太小，两个齿的热边界层易交叉，影响齿表面的对流，所以一般情况下，建议自然冷却的散热器齿间距大于12mm,如果散热器齿高低于10mm,可按齿间距 1.希齿高来确定散热器的齿间距。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

19、的冲击，建议大于5mm以上.2.5.2 强迫风冷设计当自然冷却不能解决问题时，需要用强迫空气冷却， 即强迫风冷。强迫风冷是利用风机进行鼓风或抽风，提高设备内空气流动速度，达到散热的目的。 强迫风冷的散热形式主要是对流散热，其冷却介质是空气。 强迫风冷在中、大功率的电子设备中应用较广范，因为它具有比自然冷却多几倍的热转移能力，与其他形式的强迫冷却相比具有结构简单，费用较低， 维护简便等优点。整机强迫风冷系统有两种形式：鼓风冷却和抽风冷却。鼓风冷却的特点是风压大，风量比较集中。适用于单元内热量分布不均匀，风阻较大而元器件较多的情况。抽风冷却的特点是风量大，风压小，风量分布较均匀，在强迫风冷中应用更

20、广泛。对无管道的机柜抽风，整个机柜相当于一个大风管，要求机柜四周密封好，测壁上也不应开孔，只允许有进、出风口。考虑热空气上升，抽风机常装在机柜上部或顶部，出风口面 对大气，进风口则装在机柜下部， 这种风冷形式常适用于机柜内各元件冷却表面风阻较小的 设备。对于在气流上升部位有热敏元件或不耐热元件的设备则必须用风道使气流避开，并沿需要的方向流入其进风口，通常在机柜侧面，出风口（抽风口机）在机柜顶部。电子产品热设计电子产品热设计实例二：大型计算机散热设计：对于大型的计算机来说， 一般设备都放在室内， 热设计主要是研究怎样把器件的集中功 耗通过介质传递到室外大气中去，满足设备功能要求，主要表现在两个方

21、面：(1)研究高密度热流结构中使用的更有效的传热方法，即所谓的 热传递桥(2)建立能够消耗和传递计算机大量功率的有效、可靠的冷却系统。两者在有些情况下 是合为一体的。前面说过，冷却方式主要是依据芯片的功耗密度大小来决定的，所以热设计主要矛盾在于降低芯片的功耗密度。现在国内外许多计算机公司为了避免芯片功耗密度过高，主要采用以下三个方面的做法。(1)在巨型计算机体系结构方面加以改进。如网格计算机( Grid Computer),这样可 以采用标准的单板机进行模块化组装，组装密度相对降低，使得利用简单可靠的冷却方式风冷成为可能。(2)研制低功耗的专用芯片。为了避免由于芯片高功耗密度而必须采用复杂的冷

22、却系 统，一些计算机公司在专用芯片的研制上，采取了电气的、传热的、软件方面的相应措施， 降低芯片的功耗密度。如：美国 Transmeta公司12，在芯片中引入软件程序，代替部分 硬件功能，从而降低了由于硬件组装密度的提高而带来的高功耗。(3)采用高效率的热传递桥降低芯片的功耗密度。常用的高效率热传递桥主要包括微 通道、热管等。这是目前国内外许多计算机公司普遍采用的方法。许多巨型机如：CompaqASCI Q、IBM兰色基因、NEC地球模拟器、富士通 VPP5000系列、日立SR8000系列都是 采用这一模式；但风冷方式的计算机，机柜数量相对增多，占地面积大。热传递桥设计，根据需要应充分利用各种

23、热设计方法。热管是目前最受欢迎的热传递桥， 技术成熟、投资费用适中，前面提到的微型扁平热管就广泛用于CPU的热传送。为适应IC芯片的传热，也可将热管的尺寸缩小至微米极(50dm500dm),其蒸发端全部埋入 IC基片底部。因硅片有良好的导热性能，基片与热管之间有很好的热耦合。冷凝端直接伸至基片的散热区域，其热量通过强制对流的方式带走。这种方法允许传送芯片100 W/cm2的热流密度，但要注意结构中的热机械应力。近年来发展起来的微通道冷却实质上就是把微通道结构和冷却技术相结合的产物，用于高热流密度的热传送。这对芯片级热传递桥的设计具有重要意义。某单位研制的风冷型微通道散热器，尺寸为 50mme

24、50mme 25mm ,可以带走功耗为 750W (功耗密度为 30W/cm2 )的 热量，其热阻为0.1 C/W；他们设计的水冷型微通道散热器，尺寸为196mme 196mme 16mm,可以带走功耗为 2500W (功耗密度为100W/cm2)的热量，其热阻仅为 0.01 C/W。第3章 散热器的热设计 第3.1节 散热器的选择与使用从传导公式可以看出，在器件内热阻，界面热阻和散热器热阻一定的情况下，器件功耗直接影响结温。因此，热设计的任务就是尽可能减少界面热阻和散热器热阻。对器件与散热器的接触面进行光洁处理、适度增加接触压力、充分利用接触面积、减少接触面插入物质厚 度和选用低热阻率的导热

25、绝缘衬垫可以有效降低界面热阻。使用导热衬垫时还要考虑六个月电子产品热设计以后的界面热阻会有约 20%的增加。第3.2节散热器选用原则根据器件功耗、环境温度及允许最大结温来选择合适的散热器。器件与散热器的接触面应保持平整光洁，散热器的安装孔要去毛刺。器件与散热器和绝缘片间的所有接触面处应涂导热膏或加导热绝缘硅橡胶片。型材散热器应使肋片沿其长度方向垂直安装，以便于自然对流。散热器应进行表面处理，以增强辐射换热。应考虑体积、重量及成本的限制和要求。第3.3节 散热器结构设计基本准则选用导热系数大的材料（如铜和铝等）。尽可能增加散热器的垂直热面积。晶体管安装平面平整光洁，以减小接触热阻。散热器的结构工

26、艺和经济性要好。电子产品热设计实例三：高亮度 LED封装散热设计过去LED只能拿来做为状态指示灯的时代， 其封装散热从来就不是问题， 但近年来LED 的亮度、功率皆积极提升，并开始用于背光与电子照明等应用后，LED的封装散热问题已悄然浮现。就现在来说，散热问题的加剧，不在高亮度，而是在高功率；不在传统封装，而 在新封装、新应用上。电子产品热设计图3-1高亮度LED热设计首先，过往只用来当指示灯的 LED,每单一颗的点亮（顺向导通）电流多在5mA;30mA 间，典型而言则为20mA,而现在的高功率型 LED,则是每单一颗就会有 330mA;1A的电流 送入，每颗用电增加了十倍、甚至数十倍。在相同

27、的单颗封装内送入倍增的电流，发热自然也会倍增，如此散热情况当然会恶化， 但很不幸的，由于要将白光LED拿来做照相手机的闪光灯、要拿来做小型照明用灯泡、要拿来做投影仪内的照明灯泡，只是高亮度是不够的，还要用上高功率，这时散热就成了问题。上述的LED应用方式，仅是使用少数几颗高功率LED,闪光灯约1: 4颗，照明灯泡约1: 8颗，投影机内10多颗，不过闪光灯使用机会少，点亮时间不长，单颗的照明灯泡则 有较宽裕的周遭散热空间，而投影机内虽无宽裕散热空间但却可装置散热风扇。电子产品热设计SenXtytInGaNAlInGaPXV J% /V /V fv /V /V ft/ -7 5050 5 050

28、5 44332211 nQL 后一£=UJEmJIPnG -PU9SUJ5806106400%430480490520550stic LensGold WireSoldei ConnechonH岫ntsink SlugCathode LeadEncspsulentInGaNSerniccnductorFlip ChipPeak Wvelengih (am)图3-2外部量子化效率图图中为InGaN与AlInGaP两种LED用的半导体材料，在各尖峰波长（光色）下的外部 量子化效率图，虽然最理想下可逼近40%,但若再将光取效率列入考虑，实际上都在15% ;25%间，何况两种材料在更高效率的

29、部分都不在人眼感受性的范畴内，范畴之下的仅 有 20%。可是，现在还有许多应用是需要高亮度，但又需要将高亮度LED密集排列使用的，例如交通号志灯、讯息广告牌的走马灯、用 LED组凑成的电视墙等，密集排列的结果便是不 易散热，这是应用所造成的散热问题，那么该怎么解决呢L些公司在这方面做了不少研究。以Lumileds Lighting公司的Luxeon系列LED为例，Tj接面温度为25C,顺向驱动电 流为350mA,如此以InGaN而言，随着波长（光色）的不同，其效率约在5%?27%之间，波长愈高效率愈低（草绿色仅 5%,蓝色则可至27%）,而AlInGaP方面也是随波长而有变 化，但却是波长愈高

30、效率愈高，效率大体从8%?40% （淡黄色为低，橘红最高）。（图片来源：）Silicon Sub'mountChrp with ESD Protection图3-3Luxeon系列LED横切面电子产品热设计从Lumileds公司Luxeon系列LED的横切面可以得知， 硅封胶固定住LED裸晶与裸晶 上的荧光质（若有用上荧光质的话），然后封胶之上才有透镜，而裸晶下方用焊接（或导热膏）与硅子镶嵌芯片（Silicon Sub-mount Chip）连接，此芯片也可强化ESD静电防护性，往下再连接散热块，部分LED也直接裸晶底部与散热块相连。Wre bondSilicon submouit图3

31、-4Luxeon系列LED的裸晶实行覆晶镶嵌法Lumileds公司Luxeon系列LED的裸晶实行覆晶镶嵌法，因此其蓝宝石基板变成在上端， 同时还加入一层银质作为光反射层，进而增加光取出量，此外也在Silicon Submount内制出两个基纳二极管（Zener Diode）,使LED获得稳压效果，使运作表现更稳定。由于增加光取出率（Extraction Efficiency ,也称：汲光效率、光取效率）也就等于减少 热发散率，等于是一个课题的两面。Metal Core PCB (MCPCB)SS慈（介壁）厝7 5umT50urn 厚度基板（金肥核心）属 1 OmmT2m 厚度图3-5MCPCB示意图电子产品热设计为了强化LED的散热，过去的FR4印刷电路板已不敷应付，因此提出了内具金属核心 的印刷电路板，称为 MCPCB ,运用更底部的铝或铜等热传导性较佳的金属来加速散热，不 过也因绝缘层的特性使其热传导受到若干限制。对光而言，基板不是要够透明使其不会阻碍光，就是在发光层与基板之间再加入一个反光性的材料层，以此避免光能被基板所阻碍、吸收，形成浪费，例如GaAs基板即是不透光，因此再加入一个 DBR D Distributed Bragg Reflector）反射层来进行反光。而 Sapphire 基板则是可直接反光，或透明的GaP基板可以