电子设备热设计基础(电子部讲课做讲义用1)课件

1、北京航空航天大学电子设备热设计付桂翠北京航空航天大学电子设备热设计付桂翠热设计基本知识热设计理论基础热设计的方法热分析热试验电子设备热设计热设计基本知识电子设备热设计热对系统可靠性的影响热设计的目的热设计的有关概念热控制的基本形式热设计基本知识热对系统可靠性的影响热设计基本知识热对系统可靠性的影响高温对大多数元器件将产生严重影响，它导致元器件性能改变甚至失效，从而引起整个电子设备的故障。图1 元器件的失效率与温度的关系热对系统可靠性的影响高温对大多数元器件将产生严重影响，它导致热对系统可靠性的影响元器件类别 基本失效率，b（10-6/h） 温升T（）高温与室温失效率之比高 温室 温PNP硅晶体

2、管0.063（在130和应力比0.3）0.0096（在25和应力比0.3）1057:1NPN硅晶体管0.033（在130和应力比0.3）0.0064（在25和应力比0.3）1055:1玻璃电容器0.047（在120和应力比0.5）0.001（在25和应力比0.5）9547:1变压器与线圈0.0267（在85）0.0008（在25）6033:1碳膜合成电阻器0.0065（在100和应力比0.5）0.0003（在25和应力比0.5）7522:1不同工作温度部分元器件的基本失效率(摘自GJB/Z 299B）热对系统可靠性的影响 基本失效率，b（10热对系统可靠性的影响 平均故障间隔时间（MTBF）是

3、表征电子设备可靠性的一个主要参数，当电子设备寿命呈指数分布时，其平均故障间隔时间：该式中：以金属膜电阻器为例： 金属膜电阻器的工作失效率计算公式如下： 热对系统可靠性的影响 平均故障间隔时间（MTBF）是表热对系统可靠性的影响据统计（1）电子设备的失效原因中有55是由于温度过高引起的。（2）电子元器件温度每升高10，其可靠性下降一倍。摘自 美空军整体计划分析报告热对系统可靠性的影响据统计摘自 美空军整体计划分析报告热量产生的原因电子设备经受的热应力来源于以下几个方面： （1）工作过程中，功率元件耗散的热量。 （2）电子设备周围的工作环境，通过导热、对流和辐射的形式，将热量传递给电子设备。 （3

4、）电子设备与大气环境产生相对运动时，各种摩擦引起的增温。 热量产生的原因电子设备经受的热应力来源于以下几个方面：热设计的目的 电子设备的热设计系指利用热传递特性对电子设备的耗热元件以及整机或系统采用合适的冷却技术和结构设计，以对它们的温升进行控制，从而保证电子设备或系统正常、可靠地工作。 热传递的方式：传导、对流、辐射。 一般来说，这三种形式在电子系统的热传输中所占的比例分别为60、20、20。热设计的目的 电子设备的热设计系指利用热传递特性对电子热设计的有关概念（1）热设计 利用热传递特性通过冷却装置控制电子设备内部所有电子元器件的温度，使其在设备内所处的工作环境条件下，不超过规定的最高允许

5、温度的设计技术。（2）热评估：评估电子设备热设计是否合理的方法和手段。（3）热分析 又称热模拟，是利用数学的手段，通过计算机模拟，在电子设备的设计阶段获得温度分布的方法，它可以使电子设备设计人员和可靠性设计人员在设计初期就能发现产品的热缺陷，从而改进其设计，为提高产品设计的合理性及可靠性提供有力保障。（4）热试验：将电子设备置于模拟的热环境中，测量其温度或温度分布。热设计的有关概念（1）热设计热设计的有关概念（5） 热流密度 单位面积的热流量。（6） 体积功率密度 单位体积的热流量。（7） 热阻 热量在热流路径上遇到的阻力（内热阻、外热阻、系统热阻） 。温差越大，热流量就越大。TRQ 热阻的单

6、位是/W。热设计的有关概念（5） 热流密度热设计的有关概念内热阻： 产生热量的点或区域与器件表面指定点（安装表面）之间的热阻。晶体管和微电路的内热阻是指结到外壳间的热阻jc。外热阻： 器件上任意参考点（安装表面）与换热器间，或与设备、冷却流体或环境交界面之间的整个热阻。系统热阻： 设备外表面与周围空间或换热器与冷却流体间的热阻。热设计的有关概念内热阻：热设计的有关概念接触热阻：当热通过两个接触表面的交界面时，出现一种导热的特殊情形。在接触面上有很大的温差。接触表面之间的交界面是效率很低的传热通路 降低接触热阻的有效方法：接触面积大；表面平滑；接触材料软；接触压力大；接触压力均匀；在交界面上有导

7、热填充剂。热设计的有关概念接触热阻：当热通过两个接触表面的交界面时，出（8） 热阻网络 热阻的串联、并联或混联形成的热流路径图。（9）功耗 电子设备工作时需要电功率，因为元器件并非完全有效，因而有不少功率转换成热。如果找不到一条通路来散热，温度就会升高。最重要的热流量是功耗。（10） 冷板 利用单相流体强迫流动带走热量的一种换热器。（11）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。它可能是大地、大气、大体积的水或宇宙等。又称热地。也称“最终散热器”。Heat Sink热设计的有关概念（8） 热阻网络热设计的有关概念热设计的有关概念对流：固体表面与流体表面传热的主要方式。自

8、然对流：流体的运动是由于流体密度差和温度梯度引起的。在自然对流传热中，上部较冷流体与底部较热流体间的密度差引起流体温升热设计的有关概念对流：固体表面与流体表面传热的主要方式。在自强迫对流：流体的运动是由外力（如风机、风扇或泵）造成的。强迫对流热设计的有关概念强迫对流：流体的运动是由外力（如风机、风扇或泵）造成的。强迫 压降：当流体流经固体物质或物体在导管内流动时，摩擦、流动面积的限制或方向的突变会阻止这种流动。结果产生压力损失或压力下降。 需要用风机或泵来克服这种压降。流速越高，表面越不规则，则压降越大。 在强迫对流系统中，冷却剂流动通路的几何形状及系统压降是重要的问题。热设计的有关概念 压降

9、：当流体流经固体物质或物体在导管内流动时，摩擦、热设计的有关概念辐射：是真空中进行传热的唯一方式，它是量子从热体 （辐射体）到冷体（吸收体）的转移。例如接近火炉坐能感到热。热设计的有关概念辐射：是真空中进行传热的唯一方式，它是量子从热路与电路 R = U / IR1R2R3UIRt1Rt2Rt3t / qThermal Sink(environment)Rt = t / Q热路与电路 R = U / IR1R2R3UIRt热阻与热流量和温度的关系热阻与热流量和温度的关系 降低热耗 器件的热耗一般受器件厂工艺水平的制约 VLSI 的总热耗一般低于 NPN 器件的热耗，但从热流密度的角度看，不可一

10、概而论。 控制周围环境向器件的热量传递。 从结构措施上减小动力增温（如 摩擦热的传输等）。 内热阻通常指芯片级的冷却技术，是今后VLSI的发展方向。外热阻指传统的冷却技术，如风冷、液冷、相变冷却，热管传热等。Rt = t / Q热设计基本考虑 降低热耗 器件的热耗一般受器件厂工艺水平的制约内热阻内热阻的控制 多芯片模块（multichip-module） 微热管(micro-heatpipe)传热 内热阻：芯片的 PN 结 封装壳体 (导热、对流) 也称“芯片组导热模块”，通过导热、辐射将热量传至封装表面，再进行冷却。 特点： 尺寸小、重量轻、信号处理速度快、延迟时间小。 微通道散热器（ 级通

11、道，冷却剂可直接通过） 内热阻的控制 多芯片模块（multichip-module外热阻的控制 （1）散热技术 肋片式散热器, 强迫空气冷却, 液体冷却 ,相变冷却(沸腾、蒸发、升华) （2）制冷技术 温差电制冷 ,液氮制冷 , 压缩制冷 ，相变制冷（3）恒温技术 隔热材料保温, 可控式恒温 ，关键技术是温度的控制（4）热管传热 外热阻的控制 （1）散热技术热设计理论基础传热学 传热的基本方式有三种：传导、对流和辐射、一般来说，这三种形式在电子系统的热传输中分别占60%，20%和20%。热设计理论基础传热学 传热的基本方式导 热 因物质的原子和分子之间的随机运动而导致的从高能级低能级的一种能量

12、传输过程。简单地说：导热的产生必需具备二个条件： 和相互接触。 = k A t/ n (w)q= k t/ n (w/m2)导热的基本定律：Fourier 定律K材料的导热系数 W/m oC 材料种类、温湿度、结构形式、密度、比热等 。导 热 因物质的原子和分子之间的随机运动而导致材料名称导热系数(20)W/(m) 密度(20)kg/m3比热(20)J/(kg)铝2042707921金29219272126铜3308939385铁737898452银41910524234尼龙0.170.411211075环氧树脂0.41041不同材料的导热特性Diamond 16002300材料名称导热系数(

13、20)密度(20)比热(20)铝2 表面状况接触热阻104(m2k/w) 金 属 与 金 属干接触高3.55中2.58低0.90涂硅脂高2.32中1.29低0.48导热衬垫高1.10中0.65低0.32垫铟片（厚0.005mm)干接触高0.58中0.45低0.32接触热阻实例 表面状况接触热阻104(m2k/w)干接对流换热定义：流动的流体与其相接触的物体（固体、流体、汽体），由于温差的原因所产生的能量与热量的传递过程。 靠自然力 密度差引起。（与 的强度、流体的性质、空间、大小、壁面的大小等因素有关。） 受强制力（如风机、泵）推动而引起的流动。（推力的大小、 （压差）、流体的性质、流道的尺寸

14、大小等阻力因素有关。） 对流换热定义：流动的流体与其相接触的物体（固体、流体、汽体）流体的流动特征自然对流 natural强迫对流 forced对流方式层流 laminar紊流 turbulent流动状态层流：流线有规则，大都发生在贴近 壁面附近的流层。 （导热产生的换热为主） 紊流：层流底层以外（边界层以外） 所发生的流体不规则流动。 流体的流动特征自然对流 natural强迫对流 forced对流换热的基本定律对流换热的基本定律对流换热系数对流传热系数的数值范围 过 程h/W(m2k)自然对流 空气 水1102001000强迫对流 气体高压水蒸气 水20100500350010001500

15、0水的相变换热 沸腾 蒸汽凝结25003500500025000对流换热系数对流传热系数的数值范围 过 辐射换热基本特征辐射换热基本特征辐射换热的基本定律黑体辐射力计算公式：辐射换热的基本定律黑体辐射力计算公式：热设计方法 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、印制电路板散热结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。热设计方法 电子产品热设计应首先根据设备的可靠性指标及热设计流程热设计流程热设计目

16、标的确定 热设计目标通常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。热设计目标的确定 热设计目标通常根据设备的可靠性指标与热设计目标的确定根据可靠性预计确定热设计目标 施加在电子元器件上的电应力热应力大小直接影响电子元器件的基本失效率。 b =AexpNT/273+T+(T)Sexp273+T+(T)S/TMP 式中 A失效率换算系数； NT、P器件

17、中的形状参数； T工作温度(环境或壳温)，； TTM与额定功率点最高允许温度之差，； S应力比或降额因子。热设计目标的确定根据可靠性预计确定热设计目标热设计目标的确定 工程上为简便计算，通常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。降额参数降 额 等 级频 率0.800.900.90输出电流0.800.900.90最高结温85100115双极型数字电路降额准则热设计目标的确定 工程上为简便计算，通常采用元器件经降常用冷却方法的选择和设计要求 电子设备的冷却方法包括自然冷却、强迫空气冷却、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、冷板技术等）

18、。其中自然冷却、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。 常用冷却方法的选择和设计要求 电子设备的冷却方法包括自冷却方法热流密度（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常用冷却方法的热流密度冷却方法热流密度（W/cm2）自然对流0.08强迫风冷0.3常用冷却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、液体冷却、蒸发冷却 常用冷却方法的体积功率密度常用冷却方法的优选顺序：自然散热、冷却方法的选择示例 功耗为300W的电子组件，拟将其安装在一个248mm381mm432mm的机柜里，放在正常室温的

19、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。体积功率密度：热流密度： 冷却方法的选择示例 功耗为300W的电子组件，拟将其安 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)。冷却方法的选择示例 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影响自然对流冷却的因素：印制板的间距电子元件耗散功率自然对流换热表面传热系数机箱表面和环境空气之间的温差机箱表面积自然对流冷却设计影响自然对流冷却的因素：印制板的间距自然对流冷却设计印制板之间的