电子设备热控制技术和优化方法

1、电子设备热控制技术和优化方法电子设备热设计热设计理论基础热设计基本原理液体冷却强迫风冷自然冷却蒸发冷却热电致冷热管传热热测试技术电子设备热设计参考资料1、电子设备热控制与分析2、电子设备结构设计原理5、GJB/Z27电子设备可靠性热设计4、微电子设备的换热3、电子设备冷却技术6、Thermal computation of Electronic Equipment7、电子机器的热对策（日文）电子设备热控制目的 组件和设备的热流密度增长趋势为芯片级、元件级、组件级及系统级提供良好的热环境保证芯片级、元件级、组件级及系统级的热可靠性防止电子元器件的热失效电子设备热环境环境温度和压力（或高度）的极限

2、值及变化率太阳或周围物体的辐射值地面设备：周围空气温度、湿度、气压、空气流 速，周围物体形状和黑度，日光照射冷却剂种类可利用的热沉机载设备：飞行高度、飞行速度、安装位置，有 无空调舱，周围空气温度、速度等舱船设备：周围空气温度、湿度，有无淡水，舱 室温度，日照情况等热设计基本要求满足可靠性要求满足热环境的要求与维修性设计相结合，易维修与电路设计同时进行满足对冷却系统的限制要求根据经济性、安全性等，选择冷却方法尺寸、重量、冷却所需功、热设计基本原则保证良好的冷却功能保证可靠性良好的经济性良好的维修性有良好的适应性冷却方法选择（1）自然散热（对流和辐射）强迫风冷浸没自然对流冷却强迫水冷浸没沸腾冷却

3、10241024622410346824682246810-11001010-221温升表面热流密度 W/cm2冷却方法选择（2）空气空气介质液体水介质液体水介质液体自然散热强迫对流蒸发冷却1.16311.63116.3116311630传热系数W/m2空气流速 315m/S流体流速 0.31.5m/S电子设备热设计理论基础传热学 ( 传热计算)流体力学 ( 阻力计算)辐射对流导热 导 热单层平壁导热导热基本定律温度场 导热热阻多层平壁导热单层圆筒壁导热多层圆筒壁导热接触热阻的影响因素接触表面接触点的数量、形状、大小及分布规律接触表面的几何形状（波纹度和粗糙度）接触表面的硬度间隙中介质种类（真

4、空、液体、气体等）非接触间隙的平均厚度接触表面的压力大小接触表面的氧化程度和清洁度接触材料的导热系数减小接触热阻的方法加一薄紫铜片或延展好的高导热系数材料加低熔点合金（铟合金）提高界面间的接触压力在接触表面涂一薄层导热脂（膏）导热的数值分析有限元素法有限差分法有限差分法求解步骤（2）讨论与该差分格式对应的线形代数方程解的唯一性（3）求解代数方程组，得到区域内的温度分布（1）构成差分格式有限元素法求解步骤（2）写出单元的泛函表达式（3）构造每个单元内的插值函数（1）区域离散化（5）构成代数方程组（6）求解代数方程组（4）求泛函极值条件的代数方程表达式对流换热影响因素流体流动发生的因素流体流动的状

5、态换热面的几何形状和位置流体的物理性质对流换热系数对流换热现象换热系数空气自然对流310气体强迫对流20100水自然对流2001000水强迫对流100015000水沸腾200025000高压水蒸汽强迫对流5003500水蒸汽凝结500015000对流换热计算准则数 名称 物理意义定性温度：特征尺寸准则方程竖放平板柱体 水平板(热面朝上) 水平板(热面朝下)109109210721073105 31010流态层流紊流层流紊流层流C0.100.590.540.150.27n1/41/31/41/31/4特征尺寸高度正方形取边长圆盘取0.901狭长条取短边矩形L=2ab/(a+b)自然对流换热计算管

6、内流动定性温度: 流体平均温度特征尺寸: 管子内径或当量直径紊流准则方程层流准则方程注:上述公式或适用于直管、长管否则要乘相应修正系数强迫对流换热定性温度: 特征尺寸: 流体流动方向板或柱体的长度L紊流准则方程层流准则方程强迫对流换热计算沿平板流动（或沿柱体轴线流动）对流换热的数值计算连续方程能量方程动量方程辐射换热的基本概念吸收率反射率穿透率辐射换热的基本定律普朗克定律四次方定律基尔霍夫定律实际物体的辐射和吸收黑体的辐射角系数交叉线法有效辐射平行平板间的辐射换热辐射换热计算黑度: 主要取决于物体表面状态热阻网络计算法 (两个表面以上的辐射计算)表面热阻空间热阻两表面间传热计算热流体冷流体固体

7、壁(平壁或圆筒)圆筒壁肋壁传热肋效率：热 阻辐射热阻对流热阻导热热阻 接触传热电子设备自然冷却设计技术自然冷却设备的结构因素机壳热设计机壳通风孔面积机壳表面处理PCB自然冷却热设计印制线（导体）尺寸的确定PCB上元器件热安装技术尽量利用DIP的引线导热粘接技术采用散热PCB（导热条、导热板、夹芯板）冷热分区排列元件排列方向有利于气流流动与冷却（阻力）减小元件热应变的安装技术导轨热设计PCB热计算均匀热负荷导热条热计算普通PCB热计算(1)(2)(3)(4)半导体用散热器热计算集成电路的热分析离散热源产生的收缩效应（1）无限大的导热介质上的圆热源（3）长窄条热源在有限导热介质上（2）有限大的导热

8、介质上的圆热源（4）短而窄热源在有限导热介质上表面温度r1-热源半径， r2-圆柱半径长窄条热源收缩效应有限大圆形导热介质无限大圆形导热介质短窄条热源其中2a-热源宽度，2b-窄条宽度，l-窄条长度2d窄条热源长度，2c短条长度典型微电路组装图芯片结到外壳的传热2.52W3.24W2.81W3.03W55电子设备强迫空气冷却单个元件风冷整机鼓风冷却整机抽风冷却大机柜中屏蔽盒的通风冷却出风口外部对流外部辐射内部对流风机滤尘器空气入口大机柜PCB热计算每厘米7个肋片（铝）160入口出口元器件0.6多层印制板0.954.8941.20.233100空芯PCB风冷PCB组件风冷出口PCB2.5空气入口

9、轴流风机雏形风道机壳200(1)(2)(3)(4)(5)(6)表2第1点第2点第3点第4点第5点第6点A(cm2)V1(cm/s)V2V3HV1(cmH2O)HV2HV31240080012000.0980.3920.88312.837575011250.0860.3450.7769.6549799514900.0750.3030.6812.253056099140.1140.4541.0245.751202393580.00880.0350.07851202393580.00880.0350.0785系统的压力损失表1通道形式说明速度头(HV)损失数普通管道端发蓝管道端圆滑进口伸出进口0.0

10、40.490.932.70速度头通风机工作点确定恒速风扇；3相，115伏，400周454 JS马达 15500转/分，25瓦变速风扇（Altivar）：单相400，415YS马达11000转/分，18瓦不稳定点机箱阻力曲线543210510152021ABm3/mincmH2O通风机的选择种类、特点工作点特性曲线通风机串联通风机并联结构因素对风冷效果影响通风机位置元件的排列风道结构形式热源位置紊流器漏风的影响风冷设计基本原则合理控制气流和分配气流集中热源，单独风冷元器件排列原则力求对气流的阻力最小进出口尽量远离，避免风流短路电子设备液体冷却直接液体冷却蒸汽不再循环有搅动发热元器件浸入冷却液（无

11、蒸发）蒸汽再循环元器件或组件浸入冷却液（有蒸发）TCM技术无搅动间接液体冷却冷板技术（液冷）泵和热交换器泵的选择流量压力离心泵泵的种类齿轮泵轴流式泵热交换器的种类列管间壁式顺流逆流叉流往复流紧凑式单流体冷板热 计 算传 热冷流体热流体 对数平均温差（适用于顺流逆流）（1）由已知条件，由热平衡方程，求另一个未知温度（2）求tm（5）核算流体阻力（4）由传热方程求换热面积A（3）布置换热面，计算传热系数K（6）若阻力偏大，则重新设计对数平均温差法热交换器的设计计算（1）（1）计算传热系数K（2）计算NTU及（5）由热平衡方程求（4）计算传热量（3）计算或查表得有效度有效度传热单元数法（ NTU）热

12、交换器的设计计算（2）冷却剂物理特性（沸点、冰点、倾斜点、闪点、燃点等）热特性相容性经济性冷却剂评价标准自然对流强迫对流（层流）强迫对流（紊流）电气特性（介电强度、体积电阻率、介电常数等）液体冷却系统的设计（1）确定冷却方式，选择冷却剂确定流量（或流速）由t2根据热平衡方程确定其流量选择二次冷却方式（热交换器类型）确定冷流体在热交换器中的走向、确定h1和h2确定冷、热流体的温差（t1=710，t2=5）液体冷却系统的设计（2）根据h1和h2及tm,确定KA值，进行设计或选择计算阻力损失选用管路和阀水套设计（发射管）由流量和阻力损失选泵控制保护装置冷 板冷板结构形式气冷式液冷式气冷式冷板肋片封端

13、平直形肋锯齿形肋燕尾形燕尾槽形多孔形肋矩形外凸矩形封端底板盖板肋片冷板换热计算（1）热平衡方程换热方程 冷板换热计算（2）冷板总的压力损失冷板有效度 （Ac为通道截面积， Afr为冷板截面积）冷板校核设计（1）温升（肋效率）（总效率）冷板校核设计（2）传热单元数若不满足（6）（7）条件，重新计算压力损失初步确定结构形式及尺寸、选肋由定性温度，确定冷却剂物性参数定性温度 tf=(2ts+t1+t2)/4出口温度 t2 =t1+t冷却剂温差通道截面积 Ac=b1S2 （S2单位宽度的通道面积）单位面积质量流量冷板设计计算（1）冷板深度 D1=A/S1b1 （S1单位面积的传热面积）压降 PP比较A

14、A ， PP，若不满足，重新设定b，D值，直至符合要求冷板设计计算（2）电子设备的蒸发冷却原理蒸发冷却系统的组成汽水两相冷却蒸发冷却的应用蒸发冷却系统的设计计算超蒸发冷却热电致冷原理塞贝克效应珀尔帖效应付立叶效应焦耳效应汤姆逊效应热电致冷的热计算致冷量性能系数最大温差最大致冷量最佳工作电流材料品质因数最佳性能系数最佳致冷量设计程序最佳性能系数设计方法热电致冷器的结构及应用结 构特 点应 用蒸发端冷凝端毛细泵力蒸发端冷凝端热管的工作原理（1）热管的工作原理（2）热管结构与材料分类蒸汽流量调节热管过量流体热管充气热管结构材料工作液（要求）管芯（材料、要求）管壳（材料、要求）热管传热极限粘性限声速限

15、毛细限沸腾限携带限声速限粘性限毛细限携带限沸腾限热管应用与设计设计步骤吸液芯参数确定（截面积AW，蒸汽通道截面积AV）管壳设计（壁厚、封头厚度）工作液的选择计算工作液充装量传热极限的校验设计要求（工作温度、传热量、工作环境、结构尺寸、其他）应用（管状、平板、可控热管）电子设备热测试技术温度测量压力测量流量测量温度测量热电偶测温（原理、制作、测试）红外线测温仪热敏电阻（-80200）温度敏感涂料（381800）液晶测温压力与流量测量液柱压力计（U形管、倾斜或杯式、微压计）节流式流量计弹簧或压力表毕托管测流量（流速）转子流量计低热阻设计技术低熔点合金填料低热阻芯片1.微焊接技术2有机介质. 材料3

16、.基板技术4.热介质材料低热阻优化散热器.微焊接技术基板技术有机介质材料热介质材料高效热控制技术微通道散热器热管技术相变冷却:液体相变冷却固体相变冷却高效热控制技术微通道散热器微通道散热器组装激光切割微通道散热器MCM与微通道散热器零热阻热管（1）铰链热管（2）微型热管（3）仙人掌热管散热器微型热管散热器薄膜热电致冷不同流体的换热系数h (W/cm2)h (W/cm2)h (W/cm2)h (W/cm2) 相变冷却（1）相变冷却（2）表1降低几种传热热阻的方法导热热阻自然对流热阻强迫对流热阻辐射热阻接触热阻缩短导热路径增大导热面积选导热系数大的材料流体流动不受阻碍散热面垂直放置增大散热面积水平

17、热面向上 液体比气体好增大流速增大表面粗糙度加紊流器增大散热面积增大黑度增大角系数增大散热面积提高温差增大接触面积表面光滑平整接触材料软增大接触压力界面涂导热剂低热阻散热器优化技术准则方程优化遗传算法优化表1降低几种传热热阻的方法导热热阻自然对流热阻强迫对流热阻辐射热阻接触热阻缩短导热路径增大导热面积选导热系数大的材料流体流动不受阻碍散热面垂直放置增大散热面积水平热面向上 液体比气体好增大流速增大表面粗糙度加紊流器增大散热面积增大黑度增大角系数增大散热面积提高温差增大接触面积表面光滑平整接触材料软增大接触压力界面涂导热剂低热阻散热器优化技术准则方程优化遗传算法优化功率器件低热阻技术ASIC器件物理模型xyz20芯片键合方式IC芯片焊料IC芯片焊料凸点焊料IC芯片 (a) 丝