第2讲 热设计的基本知识

1、 热设计的基本(jbn)原则 热设计的方法 电子设备的热环境 元器件的热设计 印制电路板的热设计 机箱的热设计第二(d r)讲 热设计的基本知识1共六十六页 目的： 为芯片级、元件级、组件级和系统级提供良好的热环境，保证它们(t men)在规定的热环境下，能按预定的参数正常、可靠的工作。 热控制是防止热失效的有效手段。热失效是指电子元器件直接由于热的原因而导致完全失去其电气功能的一种失效形式。严重的失效，在某种程度上取决于局部温度场，电子元器件的工作过程和形式，正确的确定热失效的温度及其重要。 目标： 电子元器件最高允许温度和最大功耗。电子设备热设计(shj)的基本知识2共六十六页电子设备的热

2、环境(hunjng) 设备或元器件周围流体的种类、温度、压力及速度，表面温度、外形及黑度，每个元器件周围的传热通路。电子设备的换热受环境条件的影响较大。（1）材料的导热系数等热性能取决于环境温度。（2）野外工作的电子设备受到太阳的辐射(fsh)作用，这种作用增加了冷却系统的负载。 (3）自然对流的换热量随空气密度的降低而降低，随温升的增加而增加，随重力加速度的降低而降低，在零重力场中，自然对流不起作用。（4）太阳辐射或高温设备（如核反应堆）的热辐射是一个及其严重的环境因素。电子设备在这种环境中工作时，必须采取辐射屏蔽的方法。3共六十六页 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

3、虑的因素。 （1）环境温度和压力的极限值； （2）环境温度和压力的变化率； （3）太阳或周围物体的辐射热； （4）可利用(lyng)的热沉（包括：种类、温度、压力和湿度）； （5）冷却剂的种类；温度、压力和允许压降。电子设备的热环境(hunjng)4共六十六页电子设备的热环境(hunjng)各种机载应用的典型热环境(hunjng)要求5共六十六页电子设备的热环境(hunjng)各种( zhn)地面应用的典型热环境6共六十六页电子设备热设计必须考虑热环境(hunjng)的影响地面用电子设备：（1）野外作战用的电子设备必须装在抗恶劣环境(hunjng)条件的外壳内。将热量传至热沉，能限制和引导上升

4、气流并具有能遮雨、雪、沙尘的百叶窗等。（2）保证内部热流不会使这些表面的温度上升到人所不能忍受的程度。舰船用电子设备： 主要热设计方法为：船舱通风或空调。 要考虑海水环境的污染和腐蚀问题。 装在露天甲板及桅杆上的设备，应加装防水外壳，其外表面由自然对流冷却。需要低热阻的传导热通路。应着重考虑外部空气的极限温度以及由太阳辐射产生的热输入问题。 装在吃水线以下的电子设备可以利用与海水的热交换进行冷却。7共六十六页热设计(shj)必须考虑热环境的影响机载电子设备 承受各种环境条件，高低温、低气压、振动、冲击、太阳辐射等。 对于体积功率密度较小时，可采用自然冷却的方法。结构支撑件很少，一般不作为导热的

5、主要方式。热管传热是值得推广的方法。宇航及导弹用电子设备 热环境包括：太阳辐射、高加速度、零重力、零空气压力、背阳一侧的极冷、飞船蒙皮短暂的高温等。 该类设备要尽量减轻重量(zhngling)，结构件要紧固还应起到导热作用，传导是最好的导热方式。热管也是较好的方法，但应注意重力变化对热管的影响。8共六十六页热设计(shj)的基本原则(1) 应通过控制散热量的大小来控制温升；(2) 选择合理的热传递(chund)方式（传导、对流、辐射）；(3) 传导冷却可以解决许多热设计问题，对于中等发热的设备，采用对流冷却往往合适，辐射传热是空间电子产品的主要传热方式。(4) 尽量减小各种热阻，控制元器件的温

6、度；(5) 采用的冷却系统应该简单经济，并适用于电子设备所在的环境条件的要求;(6) 应考虑尺寸和重量、耗热量、经济性、与失效率对应的元器件最高允许温度、电路布局、设备的复杂程度等因素；(7) 应与电气及机械设计同时进行；(8) 不得有损于电性能。最佳热设计与最佳电设计有矛盾时，应采用折中的解决方法；(9) 应尽量减小热设计中的误差。9共六十六页 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(fngf)的选择、元器件的安装与布局、印制电路板散热结

7、构的设计和机箱散热结构的设计。常见的热设计流程见图所示。热设计(shj)的方法10共六十六页热设计(shj)流程11共六十六页 热设计目标通常(tngchng)根据设备的可靠性指标与设备的工作环境条件来确定，已知设备的可靠性指标，依据GJB/ 299B1998电子设备可靠性预计手册中元器件失效率与工作温度之间的关系，可以计算出元器件允许的最高工作温度，此温度即为热设计目标。工程上为简便计算，通常(tngchng)采用元器件经降额设计后允许的最高温度值做为热设计目标。热设计(shj)目标的确定12共六十六页常用冷却方法的选择及设计(shj)要求 电子设备的冷却方法包括自然(zrn)冷却、强迫空气

8、冷却、强迫液体冷却、蒸发冷却、热电致冷(半导体致冷)、热管传热和其它冷却方法（如导热模块TCM技术、冷板技术，静电致冷等）。其中自然(zrn)冷却、强迫空气冷却、强迫液体冷却和蒸发冷却是常用的冷却方法。 13共六十六页冷却(lngqu)方法的确定14共六十六页冷却方法热流密度（W/cm2）自然对流0.08强迫风冷0.3空气冷却板1.6液体对流冷却0. 5液体冷却板160蒸发冷却770冷却方法(fngf)的热流密度15共六十六页冷却(lngqu)方法的体积功率密度常用冷却方法的优选顺序：自然散热、强迫风冷、液体(yt)冷却、蒸发冷却 16共六十六页 功耗为300W的电子组件，拟将其安装在一个24

9、8mm381mm432mm的机柜里，放在正常室温(sh wn)的空气中，是否需要对此机柜进行特殊的冷却措施？是否可以把此机柜设计得再小一些？ 首先计算该机柜的体积功率密度和热流密度。冷却方法的选择(xunz)示例体积功率密度：热流密度： 17共六十六页 由于体积功率密度很小，而热流密度值与自然空气冷却的最大热流密度比较接近，所以不需要采取特殊的冷却方法，而依靠空气自然对流冷却就足够了。 若采用强迫(qing p)风冷，热流密度为3000W/m2，因此，采用风冷时，可以把机柜表面积减小到0.1m2(自然冷却所需的表面积为0.75m2)。冷却方法(fngf)的选择示例18共六十六页常用(chn y

10、n)冷却方法的设计要求自然对流： 最大限度的利用导热、自然对流和辐射散热； 缩短传热路径，增大换热或导热面积； 减小安装时的接触(jich)热阻，元器件的排列有利于流体的对流换热 采用散热印制电路板，热阻小的边缘导轨； 印制板组装件之间的距离控制在19-21mm； 增大机箱表面黑度，增强辐射换热。19共六十六页常用冷却方法(fngf)的设计要求强迫空气冷却： 用于冷却设备内部元器件的空气必须经过过滤； 强迫空气流动方向与自然对流空气流动方向应一致； 入口空气温度与出口空气温度之温差一般不超过14； 冷却空气入口与出口位置应远离； 通风孔尽量不开在机箱的顶部； 应避免潮湿(chosh)空气与元器

11、件直接接触， 可采用空芯印制电路板或采用风冷冷板冷却的机箱； 尽量减小气流噪声和通风机的噪声； 大型机柜强迫风冷时，应尽量避免机柜缝隙漏风； 机载电子设备强迫空气冷却应考虑飞行高度对空气密度的影响； 舰船电子设备冷却空气的温度不应低于露点温度。 20共六十六页常用冷却方法(fngf)的设计要求强迫液体冷却： 冷却剂优先选用蒸馏水，对有特殊要求的应选用去离子水； 确保冷却剂在最高工作温度时不沸腾，在最低工作温度时不结冰； 应考虑冷却剂的热膨胀，机箱应能承受一定的压力； 直接液体冷却的冷却剂与电子元器件应相容； 应配置温度、压力（或流量(liling)）控制保护装置，并装有冷却剂过滤装置； 为提高

12、对流换热程度，可在设备的适当位置装紊流器。21共六十六页常用冷却方法(fngf)的设计要求蒸发冷却： 保证沸腾过程处于核态沸腾； 冷却剂的沸点温度低于设备中发热元器件的最低允许工作温度； 直接蒸发冷却时，电子元器件的安装应保证有足够的空间， 以利于气泡的形成和运动(yndng)； 冷却液应粘度小、密度高、体积膨胀系数大、导热性能好，且具有足够的绝缘性能； 封闭式蒸发冷却系统应有冷凝器，其二次冷却可用风冷或液冷；冷却系统应易于维修。 22共六十六页 热设计(shj)的一般程序（1）熟悉和掌握与热设计有关的标准、规范及其它有关文件，确定元器件的散热面积、散热器或冷却剂的最高和最低环境温度范围。（2

13、）确定可以利用的冷却技术。（3）对关键(gunjin)电子元器件进行热应力分析，确定发热元器件的功耗，确定其允许的最高温度；（4）由电子元器件的内热阻，确定元器件的最高表面温度。（5）确定元器件表面至散热器或冷却剂所需的回路总热阻。23共六十六页热设计(shj)的一般程序（6）按元器件及设备组装形式，计算热流密度。（7）估算所选冷却方案的成本，研究其它冷却方案，进行对比，以便找到最佳方案。（8）按GJB/Z27-92电子设备热设计有关(yugun)章节要求进行热设计。24共六十六页 元器件级的热设计(shj)元器件温度的限制 温度是直接影响元器件性能和失效率的因素。 温度对电阻的影响是电阻值将

14、随温度的变化而变化，温度升高(shn o)导致电阻的允许耗散功率下降，使其寿命下降、热噪声增大；例如：当环境温度为40时，允许的使用功率为额定功率，环境温度为100时，允许的使用功率仅为额定功率的20。 温度的变化对阻值大小也有一定的影响，温度每升高或降低10，电阻值大约要变化1，因此各类电阻的使用环境温度都有一定的限制。 25共六十六页 类型允许工作温度涂轴线绕电阻钯膜电阻体积炭质电阻压制线绕电阻碳膜电阻金属膜电阻印制电阻22020015015012010085各类电阻(dinz)允许的工作环境温度26共六十六页 对电容器的影响是使电容量和介质损耗角(功率因素)等参数变化、寿命降低，一般(y

15、bn)超过规定允许温度时，每升高10寿命下降一倍。 对各种电容器的允许工作温度也作了规定：温度(wnd)对电容器的影响类型允许工作温度玻璃陶瓷电容薄膜电容云母电容陶瓷电容纸介质电容电介质电容铝质电解电容2202001501501201008527共六十六页 温度对这两类元件的影响(yngxing)除降低其使用寿命外，绝缘材料的性能也下降。一般变压器、扼流圈的允许温度要低于95。对半导体器件，温度过高使电性能变化，严重时会引起热击穿。 集成电路的结温，每升高10故障率提高一倍等等。 为了保证可靠性，应对元器件的工作温度进行控制，保证元器件工作时内部的结温不能超过降额使用后允许的结温。温度(wnd

16、)对变压器、扼流圈的影响28共六十六页 集成电路(jchng-dinl)、晶体管、二极管结温与环境温度的关系器 件说 明结温晶体管小功率TJ=TA+30中功率TJ=TA+20二极管小功率TJ=TA+30中功率TJ=TA+20集成电路门数不大于30或晶体管不大于120(不包括存储器)TJ=TA+10门数大于30或晶体管大于120(包括所有存储器)TJ=TA+25低功耗TTL及CMOS电路门数不大于30或晶体管不大于120(不包括存储器)TJ=TA+5门数不大于30或晶体管不大于120(不包括存储器)TJ=TA+1329共六十六页 元器件的安装(nzhung)和布局要求（1）元器件的安装位置应保证

17、元器件工作在允许的工作温度范围内；（2）元器件的安装位置应得到最佳(zu ji)的自然对流；（3）元器件应牢靠地安装在底座、底板上，以保证得到最佳的传导散热；（4） 热源应接近机架安装，与机架有良好的热传导。发热元器件应主要依靠传导散热的方法将热直接传导到外部。对高温元器件可安装金属包层，金属包层的内部应为高吸收率的表面(或涂黑)，外部应为低辐射率的表面，使热直接传导到外部散热片，以减少对邻近元器件的热影响。30共六十六页 元器件的安装(nzhung)和布局要求（5）元器件、部件的引线腿的横截面应大，长度应短。（6）无源元件、温度敏感元件应放置在低温处。若邻近有发热量大的元件，则需对无源元件、

18、温度敏感元件进行热防护，可在发热(f r)元件与温度敏感元件之间放置较为光泽的金属片来实现。（7）元器件的安装板应垂直放置，利于散热。31共六十六页 电阻是通过引出线导热和本体的对流(duli)换热和辐射换热来冷却。在正常环境温度条件下，功率小于1/2W的碳膜电阻，通过引线散发的热量约占50%，对流(duli)换热约占40%，辐射换热约占10%，因此在安装电阻时引出线应尽可能的短一些，电阻安装位置应使发热量最大的表面垂直于对流(duli)气流的通路，并尽可能加大电阻与其它元器件之间的距离。电阻(dinz)的自然冷却要求32共六十六页 电子管的自然(zrn)冷却要求 不带屏蔽罩的电子管,主要(z

19、hyo)依靠玻璃壳的热辐射和热对流来冷却，带屏蔽罩的电子管一般应在罩的顶部开孔作为出风孔，罩与玻璃壳间的气隙作为进气孔，从而形成自然对流散热，为了加强热传导的作用，屏蔽罩应与玻璃壳接触良好，或夹入一层导热性能良好的弹簧片。如果有数个电子管在一起安装时，为了改善散热条件，电子管之间的中心距离不应小于管子直径的1.5倍，电子管最好是垂直安装。33共六十六页 变压器的自然冷却(lngqu)方法要求 变压器主要依靠传导散热，因此要求(yoqi)铁芯与支架，支架与安装固定面都有良好的接触，以便使热阻最小。34共六十六页 半导体器件的自然(zrn)冷却方法要求 功率小于100mW的晶体管，一般依靠管壳及引

20、线的对外散热就可达到冷却目的。大功率晶体管应采用散热器散热。对于功耗较小的半导体集成电路，由于表面积比较大有利于自然对流换热，加 之引线较多，在配用适当(shdng)的集成电路散热器后，可以获得较好的冷却效果。35共六十六页 无源元件的隔热和导热(dor)要求 无源元件包括开关、熔断器、接插件、电容器等，它们自身不产生大的热量，但会受到其他元器件发热的影响。例如，电容器的电容量会随温度升高而降低，熔断器的断路电流也会随温度升高而降低，所以在某些无源元件与热源(ryun)之间应考虑必要的热设计，以防止它们过热。同时某些接插件又是传热路径的一部分，应当具有良好的导热性并且相互接触良好。36共六十六

21、页 印制板上元器件安装和布局(bj)要求 元器件在印制板上的安装、布置应从电磁兼容、抗力学环境应力、散热等诸方面统筹考虑，元器件应安装牢固、易于装配和维修，还要利于散热。 （1）发热量大的元器件要放置在印制板的上方，尽量靠近机壳或框架。对热敏感、易受温度影响的元件(yunjin)应安置在印制板下方，并要远离发热元器件。 （2）发热元器件应放在有利于散热的位置，必要时可单独放置或装散热器。对需要装散热器的功率晶体管可直接将散热器装在晶体管上，也可将散热器固定在印制板上。 （3）元器件在印制板上的位置应均衡，尽量使间隙一致，以利于对流散热。 （4）应设法使安装在印制板上的元器件 “等热”，降低元器

22、件温升的偏差幅度。37共六十六页 元器件间的间隔(jin g)限制要求 为加强对流换热，在布置(bzh)元器件时，元器件之间、元器件与结构件之间，应保持足够的距离，以利于空气对流。另外： 电阻器之间的间隔应大于6mm，若间隔小于3mm,则会因互热导致每个电阻器表面温度增加1015。 电子管管泡间隔应不小于1.7cm，当管径超过1.27cm，则间隔应以管径1.5倍为宜，功耗大的管子，间隔还应大些。38共六十六页 元器件间的间隔(jin g)限制要求39共六十六页 对于搭焊或浸焊的具有轴向引线的圆柱形元件，如电阻器、电容器和二极管，应提供最小的应变量(binling)为2.54mm，如图(a)所示

23、。大型矩形元件，如变压器和扼流圈，需要有较大的应变量(binling)，故采用图(b)、(c)的安装方法。 减少(jinsho)元器件热应变的安装方法 当引线应变的有效释放的空间较小。通常把引线弯成环形，可以得到较大的应变量。元器件的安装方法40共六十六页减少晶体管热应变(yngbin)的安装方法 晶体管的常用安装方法见图所示。其中图 (a)是把晶体管直接安装在印制板上，由于(yuy)引线的热应变量不够和底部散热性能差，易使焊点在印制电路板热膨胀冷缩时产生断裂。其它几种热安装方法散热较好，但应注意图 (e)的安装方法不适合于工作在振动环境中的元器件。晶体管的安装方法41共六十六页减少双列直插式

24、（DIP）集成电路(jchng-dinl)的安装方法 功率较大的集成电路，可在其壳体下部与印制板之间设有金属导热条，厚度满足散热要求，为了减少接触热阻，在接触面之间采用(ciyng)粘结剂。如图(a)、(b)所示。功率较小的集成电路，可不用粘结剂或导热条，在集成电路与印制板之间留有间隙即可，如图（c）、（d）、(e)所示。42共六十六页 印制电路(yn zh din l)板的热设计 印制电路板热设计(shj)的目的是实现印制电路板良好的散热，以保证印制电路板上元器件和功能电路正常工作，从而保证系统的可靠性。(1) 常用的印制电路板类型工作温度范围特点覆铜箔环氧酚醛玻璃布层压板小于100适用于制

25、作工作频率较高的电子/电器设备中的印制板。覆铜箔环氧玻璃布层压板可达130透明程度好，适用于制作电子、电器设备中的印制板。覆铜箔聚四氟乙烯玻璃布层压板可在200以下长期工作介质损耗小，介电常数低，价格昂贵，适用于制作国防尖端产品和高频微波设备中的印制板。43共六十六页 印制电路(yn zh din l)板的散热设计 目前采用的环氧玻璃板，导热性能差，为了提高其导热能力(nngl)，通常在其上敷设导热系数大的金属（铜、铝）条或（铜、铝）板，而成为散热印制电路板，常用的散热印制电路板如图所示。图（a）为在印制电路板上敷有导热金属条的导热条式散热印制板，图（b）为在印制电路板上敷有导热金属板的导热板

26、式散热印制板；图（c）为导热板安装于印制电路板的上方，与元器件紧密接触。44共六十六页 印制电路(yn zh din l)板的散热设计常用(chn yn)的散热印制电路板45共六十六页 印制电路(yn zh din l)板导轨的热设计 插入式印制电路板往往(wngwng)需要导轨，使印制电路板能对准插座。导轨的主要作用是导向和导热。作为导热时，应保证导轨与印制板之间有足够的接触压力和接触面积，并应保证导轨与机箱壁有良好的热接触，导轨的热阻是选择导轨的主要依据，导轨的热阻越小，且随高度的变化越小，导轨的性能越好。 有许多不同形式的电路板边缘导轨，常见的几种导热性能较好的导轨如图所示。它们的热阻值

27、在不同海拔高度时的典型值如表所示。其中以楔型导轨的热阻最小，楔型导轨在军用加固设备中得到了广泛的应用。46共六十六页 印制电路(yn zh din l)板与机箱壁的连接47共六十六页 典型单台式安装(nzhung)形式48共六十六页 典型(dinxng)导轨及热阻值49共六十六页 机箱的热设计(shj) 机箱热设计(shj)的任务是在保证设备承受外界各种环境和机械应力的前提下，采用各种必要的散热手段，最大限度的把设备产生的热量散发出去，满足设备内电子元器件规定的温度要求。常用机箱的形式主要有密封机箱、通风机箱和强迫风冷机箱，强迫风冷机箱又可分为箱内强迫通风和冷板式强迫风冷两种。四种机箱的特性及

28、适用范围如表所示。50共六十六页密封机箱、通风(tng fng)机箱和强迫风冷机箱特性表机箱类型主要散热途径主要设计要素特点适用范围密封机箱机箱表面散热和向机座的热传导机箱表面积和机箱安装等，在机箱的外侧，一般均考虑设计散热槽，以增加机箱的有效散热面积。散热能力较差应用于系统功耗小、对散热要求不高的电子产品中。通风机箱机箱表面散热和自然通风散热机箱表面积和通风口面积等。散热能力较好系统功耗较小，通过通风孔的散热就可满足温度要求。51共六十六页 箱内强迫通风机箱机箱表面散热和强迫通风散热选用合适的风机和设置合理的风道，包括通风路径、气流的分配与控制、空气出入口障碍物的影响、风机与通风口的距离、通

29、风进出口设计、空气过滤器的采用等。散热性能好 有较强的散热能力，适用于功耗较大的系统。对冷却空气的温度、湿度及质量有严格的要求。冷板式强迫风冷机箱机箱表面散热、冷板散热和强迫风冷散热冷板的盖板、底板及多层冷板用的隔板材料一般用铝板。盖板、底板的厚度一般为36mm，隔板的厚度取0.42mm，根据冷板的工作环境条件选取肋片的形状、肋间距、肋高和肋厚。 散热性能好，可减小各种污染，结构紧凑。传热效率高，无污染，结构简单，广泛应用于电子设备的热设计，尤其是体积和重量受到严格限制的飞行器电子设备。密封机箱、通风(tng fng)机箱和强迫风冷机箱特性表52共六十六页 自然(zrn)对流冷却电子设备结构

30、53共六十六页 强迫(qing p)风冷电子设备结构54共六十六页 自然对流(duli)冷却的航空标准机箱的结构55共六十六页 冷板式冷却(lngqu)的电子设备结构56共六十六页冷板式(bnsh)冷却的电子设备内部结构57共六十六页 热设计实施(shsh)要点 最大限度的利用导热、自然对流和辐射(fsh)等简单、可靠的冷却技术，并尽可能的缩短传热路径，增大换热（或导热）面积。(1) 冷却方法的选择实施要点 根据电子产品的功耗计算热流密度或体积功率密度； 根据设计条件和热流密度或体积功率密度选择合适的冷却方法； 冷却方法的选择顺序为：自然冷却、强迫风冷、液体冷却、蒸发冷却等。58共六十六页 热设计实施(shsh)要点(2) 元器件的安装与布局实施要点 尽量减小元器件安装界面的热阻。元器件的排列与安装应有利于流体的对流(duli)； 元器件安装时，应充分考虑周围元器件的辐射换热的影响，对靠近热源的热敏感的元器件应采取热屏蔽措施；59共六十六页 1) 半导体器件 通过采用大面积的光滑接触表面以及按要求指定导热衬垫或添加剂，尽量减小器件与其安装座之间的接触热阻； 置于远离高温元器件的地方； 在空气或冷却(lngqu)济流动的