电子散热设计讲义课件

电子冷却散热设计通论凌昕

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•热设计的概念和基础

•冷却方法的选择

•风道设计的基本原则

•风机的选用方法和原则

•噪声测量及控制

•PCB板热设计

•散热器的选择

•热测试的目的和方法

•热仿真分析热设计的概念和基础

(Source:USAirForceAvionicsIntegrityProgram)图2:电子产品失效的主要原因

55%Temperature温度19%Humidity

潮湿20%Vibration振动6%Dust

粉尘图1:结点寿命统计(Source:GECResearch)故障率\10万小时来源：GEC研究院来源：美国空军航空电子整体研究项目ThePrimaryCauseforFailureinElectronicEquipment

电子设备故障的主要原因结点温度(“热”对电子可靠性的影响1.约40%以上的电子产品可靠性(寿命)故障是由温度问题引起的法则：电子零件的温度每上升10度，寿命减少一半。2.电子器件性能随工作温度的增加而改变（电容影响最明显）3.电子封装失效的比例直接与热成正比，而且与封装的最高温度成指数增长

失效的比例可描述为： F=Ae-E/KTwhere,F=failurerate,失效率A=constant常数E=activationenergyinelectronvolts(eV)激活的电能K=Boltzmann’sconstant(8.63e-5eV/K),andT=junctiontemperatureinK热设计的定义综合利用传导、对流及辐射三种换热手段，设计发热源至环境的低热阻通路，以满足设备散热要求的过程称为热设计。热设计的目的为了保证产品在指定的环境规格条件下正常工作

并达到产品的可靠性目标，从而满足对产品各部

分温升的限制性要求。热设计目标是可靠性目标

的一部份。

热量传递的基本方式热量总是自发地从高温区传向低温区或从物体高温部分传向低温部分。三种传递方式：1、传导2、对流3、辐射常用材料的导热系数：铝约180、压铸铝120、铁约40、铜390（但铜的密度是铝的3倍，重量、价格）,石墨是各向异性，x方向是10，Y，Z方向可以达到600，而且重量很轻。导热系数大，内部温差就小热管是一种传热能力极高的结构，其导热系数可达10000以上对流流体通过一固体表面时发生的流体与固体壁面的换热现象。Q----对流散热量,WhC----换热系数,W/m2·℃A----有效换热面积,m2△t----换热表面与流体温差,℃Q=hcA△t对流换热对流换热量与两个因素有关，表面流速与换热面积。我们使用散热片，实质上就是增加换热面积；当速度增加到一定程度后，换热量的增加就不是很明显；通常，在风机强迫冷却的情况，插箱单板间的风速可超过1m/s。辐射通过电磁波传递热量的过程。Q=ε·σ·T4Q----辐射散热量,Wε----散热表面辐射率,W/m2·℃σ----斯蒂芬-玻尔兹曼常数,5.67×108(W/m2K4)T----绝对温度,K辐射换热

辐射换热主要要求温差大；辐射率的影响因素：材料、表面粗糙度、波长等；对户外设备，辐射率大，吸收率也大，因此要注意防辐射的措施；对于自然散热的情况，必须考虑辐射散热，这时，辐射散热是一种重要的散热方法；对于强迫冷却的设备，可以忽略辐射散热。热阻将热流量（功耗）模拟为电流；温差模拟为电压；热阻模拟为电阻。冷却方法的选择选择冷却方法时，主要考虑设备的热流密度、体积功率密度、温升、使用环境、用户要求等。注意：1、保证所采用的冷却方法具有较高可靠性；2、冷却方法应具有良好的适应性；3、所采用的冷却方法应便于测试、维修和更换；4、所采用的冷却方法应具有良好的经济性；自然散热当电子设备的热流密度小于0.08w/cm2，体积功率密度不超过0.18w/cm3时，通常可采用自然对流冷却。自然对流冷却是利用空气流过物体表面时的能量交换，利用空气的密度与温度关系(热空气往上走），将热量带走。在自然散热中，传导、对流、辐射都要考虑。强迫风冷当电子设备的热流密度超过0.08w/cm2，体积功率密度超过0.18w/cm3时，单靠自然冷却不能完全解决它的冷却问题，需要外加动力进行强迫空气冷却。强迫空气冷却一般是用通风机，使冷却空气流经电子元器件将热量带走。风道设计的基本原则风道定义：产品不管采用自然散热，还是强迫风冷，首先必须合理地设计风道。风道是由机箱（插箱）、单板（元器件）、模块、进/出风口等组成，依靠结构设计来实现。根据散热方式的不同，风道可以分为自然散热风道和强迫散热风道，对于使用空调/换热器的户外系统，又包括内风道和外风道。风道设计的基本原则–降低系统的压力损失，力求对气流的阻力最小；–合理控制气流和分配气流；–保证流过关键热源的风速；–防止风道中产生空气回流；–进出口尽量远离，避免风流短路；–防止系统中发热部件（插箱）的相互影响。风机的选用方法与原则风机分类电子设备散热设计中经常用到的风机可以分为三类：轴流式风机、离心式风机和混流式风机。轴流风机：风机的进风口与出风口平行；风量大、风压小、噪音小、种类繁多、价格便宜；在通讯产品中较多的使用；离心风机：风机的进风口与出风口垂直；风量小、风压高、噪音大、价格高、供应商少；一般用于阻力较大的发热元器件或机柜的冷却；混流风机：风机的进风口与出风口平行；其性能介乎轴流风机和离心风机之间，风量大、风压也大；其出风与进风有一倾斜角度，如有两个风机并联，则风量可以扩散到整个插框。风扇马达基本零组件

Transistor(电晶体)─电流放大

StatorCoil(线圈)─产生磁场

Thermistor(热敏电阻)─温控调节

StatorArmature(定子)─定向磁场

HallEffectSensor(霍尔感应元件)─高低电平切换

RotorMagnet(磁铁)─冲磁力使马达运转风机的选择选择风机时应考虑的因素包括：风量、风压（静压）、效率、空气流速、系统（风道）阻力特性、应用环境条件、噪声以及体积、重量等，其中风量和风压是主要参数。根据电子设备风冷系统所需之风量和风压及空间大小确定风机的类型。当要求风量大、风压低的设备，尽量采用轴流式通风机，反之，则选用离心式通风机。通风机的类型确定后，再根据工作点来选择具体的型号和尺寸。风机的特性曲线与工作点一般风机规格上给出的特性曲线是风机在标称转速下得到的，随着转速的提高，风机的风量和风压会增大。风机的总压力是用来克服系统（或通风管道）的阻力的，并在出口处形成一定的速度头。图中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三条曲线分别代表不同系统（风道）的阻力特性曲线。系统（风道）的阻力特性曲线与风机的特性曲线交点就是这个风机的工作点。如果风机安装在系统Ⅱ中，其工作点就是B点，风量为qvB(m3/s)，风压为pB(Pa)。风机的串联和并联当所选风机的风量或风压不能满足要求时，可采用串联或并联工作方式来满足要求：当风机的风量能满足要求，而风压不够时，可采用风机串联的工作方式，以提高其工作压力。当风道特性曲线比较平坦，需增大风量时，可采用并联系统。并联系统的优点是气流路径短，阻力损失小，气流分布比较均匀，但效率低当风机串联时，其风机特性曲线发生变化：风量基本上是每台风机的风量（略有增加），而风压则为相同风量下两台风机风压之和，如图（a）所示。当风机并联使用时，其风压比单个风机的风压稍有提高，而总的风量是各风机风量之和，如图（b）所示。风机的其他问题风机的寿命：通常风机资料上给出的寿命是在一定温度下的L10（通常是40度），通常为50000小时左右，风机的寿命与其工作温度有很大的关系，如果温度每升高10度，寿命会下降一半；风机的失效：风机失效的两个常用判据：风机的风量小于实际风量的30%（通常根据转速）；风机的噪音突然增大；风机的噪音：与其转速关系最大，调速是降低噪的有效途径。抽风与吹风首先，风机的特点是：进风口流速较均匀，无流动死区，而出风口流体向外发散的角度约45℃，四周流速大，中间流速小，还存在死区；其次，没有绝对的抽风好还是吹风好，需要根据具体的情况确定。吹风的优点是，出风口直接对准被冷却部分，风量集中，风压大，适用于热量分布不均匀，需要对专门区域进行集中冷却的情况；系统中为正压，灰尘等不易进入。缺点是风速不均匀，存在死区（低速区），根据进风的不同，还可能存在局部回流区；进风流经风扇后，温度会有所升高。而抽风不存在死区，风速较均匀，能较均匀地流过被冷却表面，适用于阻力大的系统；不利的是系统中为负压，在恶劣环境中灰尘易进入，风扇所处的环境温度较高，影响寿命。噪声的测量与控制噪声声音的本质是波动人耳可感觉的声波范围是20Hz～20000Hz人体听觉对声音信号强弱刺激反应不是线性的，而是成对数比例关系一切无规律的或随机的声音，或是一切不希望存在的干扰声都是噪声声压由声波引起的大气压力变化的部分，通常记作p，单位是帕（Pa）声压级Lp：声压级（dB）p：声压（Pa）p0：基准声压，

声功率

单位时间内给定声源所产生的平均声能量，单

位是瓦（W）

声功率级

Lw：声功率级（dB）

W：声功率（W）

W0：基准声功率，2×10-12W

声级的合成运算绝大多数情况下的噪声，声源之间互不相干。声能量（声功率）可以代数相加，声压不能直接代数相加，声压的平方可以代数相加LT：总声级Ln：第n个声源所产生的声级如LP1=LP2，即两个声源的声压级相等，则总声压级：声压级与声功率级的比较•声压级–表示声场中某一点的强度–随距离衰减–在实验室测量到的声压级与现场测量到的声压级是不同的–可以用声级计直接测量得到–单位：dB(A)•声功率级–表示声源的辐射强度，衡量声源发声能力–与声源的安装位置和安装环境无关–声功率级有利于不同厂家的产品的比较–无法直接测量，必须通过测量声压级或声强级后计算得到–单位：Bels（＝10dB）•计权网络

–为了能用仪器直接反映人的主观响度感觉的评价量，在噪声测量仪器——声级计中设计了一种特殊滤波器，即计权网络。通过计权网络测得的声压级，已不再是客观物量的声压级，而是计权声压级或计权声级，简称声级。

–通用的计权声级有A、B、C、D、F

–在实际应用中发现，无论是强或弱的噪声，A计权声级都能较好地反映人对噪声吵闹的主观感觉。因此目前基本上都采用A声级来作为噪声评价标准。

常见环境噪声常见的噪音标准•ISO7779-1999——Acoustics-Measurementofairbornenoiseemittedbyinformationtechnologyandtelecommunicationsequipment（声学.信息技术设备和通信设备空气噪声的测量）•T1.TR.54-1997——RecommendedMethodsforMeasuringAcousticNoiseEmmission美国电信标准（T1）：测量声学噪声释放的推荐方法•ISO6926-1999——Acoustics-Requirementsfortheperformanceandcalibrationofreferencesoundsourcesusedforthedeterminationofsoundpowerlevels声学.噪声源声功率级的测定所用标准声源的性能要求与校准•ISO10302-1996——Acoustics-Methodforthemeasurementofairbornenoiseemittedbysmallair-movingdevices声学.小型送风设备的空气噪声测量方法噪声限值标准•ETSIETS300753Edition1：1997.10——EquipmentEngineering(EE);Acousticnoiseemittedbytelecommunicationsequipment欧洲电信标准化协会：设备工程；电信设备发出的音响噪声•BELLCOREGR-63-CORE：NEBS（NetworkEquipment-BuildingSystem）Requirements:PhysicalProtection室内设备噪声限值•TelcordiaGR-487-CORE（Issue2,2000.3）：GenericRequirementsforElectronicEquipmentCabinets户外设备噪声限值噪声控制一般产品的噪声来源风机噪声•转速与噪声dB2−dB1=50lg(RPM2/RPM1)其中，RPM表示风机转速，dB表示噪声值。•数量与噪声

其中，是n个风机总的声级，是单个风机的声级•风机载荷与噪声阻力、噪声较小阻力、噪声很小阻力、噪声很大气流再生噪声结构振动引起的机械噪声•常用的噪声控制方法控制噪声源•降低风机噪声：选用大口径、低转速风机；风机调速•降低气流再生噪声：风道优化，减少结构阻力•降低结构振动噪声：避免共振–控制噪声传播途径•隔声•吸声•消声–个人防护PCB板热设计采用散热PCB–印制线路板上敷有金属导热板–印制线路板上敷有金属导热条–印制线路板中间夹有导热金属芯

导热印制板在设计时要特别注意：由于金属和环氧玻璃纤维板的热膨胀系数差别较大，如胶接不当，可能引起电路板翘曲。印制板上电子元器件的热安装技术

安装在印制板上的元器件的冷却，主要依靠导热提供一条从元器件到印制板及机箱侧壁的低热阻路径。元器件与散热印制板的安装形式如下图所示。为降低从器件壳体至印制板的热阻，可用导热绝缘胶直接将元器件粘到印制板或导热条（板）上。若不用粘结，应尽量减小元器件与印制板或导热条（板）间的间隙。安装大功率器件时，若采用绝缘片，可考虑导热硅橡胶片。为了减小界面热阻，还应在界面涂一层薄的导热膏。同一块印制板上的元器件，应按其发热量大小及耐热程度分区排列，耐热性差的器件放在冷却气流的最上游（入口处），耐热性好的器件放在最下游（出口处）。有大、小规模集成电路混合安装的情况下，应尽量把大规模集成电路放在冷却气流的上游，小规模集成电路放在下游，以使印制板上元器件的温升趋于均匀。因电子设备的工作温度范围较宽，元器件引线和印制板的热膨胀系数不一致，在温度循环变化及高温条件下，应注意采取消除热应力的一些结构措施。如下图所示。对于具有轴向引线的圆柱形元件（如电阻、电容和二极管），应当提供的最小应变量为2.54mm，如图5-13a所示。大型矩形元件（如变压器和扼流圈），应像图5-13b、c那样留有较大的应变量。在印制板上安装晶体管，常使晶体管底座与板面贴合，如图5-14a所示。这是一种不好的安装方式，因为引线的应变量不够，会导致焊点随印制板厚度的热胀冷缩而断裂。安装晶体管的几种较好方法如图5-14(b)～(e)所示。印制板导轨热设计

印制板导轨起两个作用：导向和导热。作为导热用时，应保证导轨与印制板之间有足够的接触压力和接触面积，并且保证导轨与机箱壁有良好的热接触。下图是一些典型的导轨结构及其热阻值。印制板的合理间距–对于依靠自然通风散热的印制板，为提高它的散热效果，应考虑气流流向的合理性。–对于一般规格的印制板，竖直放置时的表面温升较水平放置时小。–竖直安装的印制电路板，自然散热时的最小间距应为19mm，以防止自然流动的收缩和阻塞。散热器的选择散热器的选择流程根据元器件的热流密度、体积功率密度、温升要求及散热方式（自然冷却、强迫风冷），确定是否加装散热器。一般地说，热流密度小于0.08W/cm2，采用自然冷却方式；热流密度超过0.08W/cm2，体积功率密度超过0.18W/cm3，须采用强迫风冷方式。当然，应用上述这个判据是有前提的：一是上述方法是假设热量均匀分布在整个设备的体积中；二是设备内的热量能充分地传到设备表面。根据器件功耗、环境条件及器件温度降额要求的允许结温，确定散热器的形状并通过计算，计算出散热器的表面积。合理选用散热器，降低散热器热阻右图为安装于散热器上的功率器件等效热路图其中：——功率器件的内热阻，通常由器件的制造厂家提供。——器件壳体直接向周围环境的换`热热阻，称为器件的外热阻；——器件与散热器安装面之间的接触热阻；——散热器热阻。由于远大于其它热阻值，因此总热阻计算式为：设计要求功率器件的结温应满足：1.散热器表面应进行氧化发黑处理,以增强辐射换热效果。在自然对流情况下,辐射换热作用较突出,可以提高25%的散热量,所以,除非是器件附近有高热源,散热器表面都应涂覆或氧化发黑处理以提高辐射性能。2.散热器的材质，一般推荐选用铝型材、铸铝或纯铜。3.根据要求，可以选用平板式散热器、铝型材散热器、叉指型散热器；也可以选择热管散热器，冷板按散热器，热板（vaporchamber)散热器，石墨散热器。4.铝型材散热器的齿面应加波纹齿，型材散热器的肋片表面增加波纹可以增加10%到20%的散热能力，波纹齿的高度为0.5mm，宽度为0.5mm～1mm，以增加对流换热效果。5.应保证铝型材散热器基板有一定厚度，以减小传导热阻。6.散热器性能与垂直气流方向的宽度成正比，与气流方向长度的平方根成正比，所以增加散热器宽度的效果要好于增加长度；对于散热器的流向长度大于300mm，应把散热器的齿片从中间断开，以增加空气扰动，提高对流换热效果。还要注意的几点散热器的安装要求1.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刺。2.器件与散热器和导热绝缘膜间的所有接触面处应涂导热硅脂或加其它导热绝缘材料。3.免涂导热硅脂的导热绝缘膜在接触面处可以不涂导热硅脂。4.对于自然冷却方式，铝型材散热器的安装应使齿槽与水平面垂直,以增强自然对流效果；对于强迫冷却方式，铝型材散热器的安装应使齿槽与风的流向平行。5.为了减少器件与散热器之间的接触热阻，应适当增加接触力。为避免使元器件受力，散热器须有适当的固定支撑点。散热器的加工工艺Stamped(冲压件)Aluminumextrusions(铝挤)Casting(铸造)Bonded&swagedfin(插齿)Foldedfinassemblies(折叠齿)Skived(铲削)Coldforged(冷锻)Soldering(焊接)Stamped(冲压件)Aluminumextrusions(铝挤)Casting(铸造)Bonded&swagedfin(插齿)TypicalBondedFinHeatSinkExtrudedBaseSheetmetalorExtrudedFinsMax.ratio~60:1Foldedfinassemblies(折叠齿)

Skived(铲削)Soldering热管简述热管的构成如下图所示：主要包括三个部分：外壳、工作流质和毛细吸液层。通常外壳材料为纯铜；工作流质为纯净水（对于其他用途的热管，工作流质也可为其它种类），含量很少；根据热管内部毛细层的不同，常见的热管可分为纤维型、沟槽型、筛网型和烧结型，其中沟槽型和烧结型应用最广，各种类型热管的优、缺点如下表所示。热管是一种传导率非常高的导热材料，可达30000W/m.℃以上，热管的导热率不是恒定的。在一定范围内，通常受热端温度越高，则热管导热率越高。但是当温度到达一定程度时，热管的导热率会急剧下降，造成失效。因此对于不同规格的热管，都有一个最大传输功率。热管应用的场合：将热管打扁，嵌入散热器的底部，利用其超高的导热能力来解决高功率密度造成的热收缩效应；将热管折弯，与外部散热器相联结，可解决在设计空间受到限制的情况下，大热耗器件（芯片）的散热问题。热管应用的注意事项：热管尽可能少打扁和折弯，必须折弯时，折弯半径尽可能大；热管与散热器（肋片）的联结，一般用焊接，尽可能不用过盈配合。焊接时，一般用低温锡焊；当热管散热器用在户外产品中，直接暴露在空气中时，要进行适当的涂覆处理。表各种类型热管的优、缺点管芯结构优点缺点筛网型制作成本低价格适宜热反应快折弯后品质变异度大(内网易因弯曲而形，影响蒸气流断切面积，液体回流不易)沟槽型成本低可打扁率高热反应快传热功率最小毛細力受重力方向的影响粉末烧结型传热功率最高易于后序加工(折弯，打扁)毛細力強.打扁厚度受限成本较高受变形、冲击易碎纤维型弯曲或扁平加工時,仍能维持良好的毛细力液体单向回流，因此不易受音速、毛细等限制因构造复杂,本体制造较不容易单价成本高图热管的构成筛网型

纤维型沟槽型烧结型热仿真的一般步骤：1、建立模型；2、赋予属性；3、设置求解域和相应的边界条件；4、划分网格；5、求解；6、结果分析。热仿真分析热仿真分析的目的通过建立合适的模型进行热分布和热特性分析，预计各器件的工作温度，包括环境温度和热点温度。使得产品在不损害电气性能、并符合可靠性要求的前提下，使设备的寿命周期费用降至最低，实现热设计的目标。通过热仿真实现合理的热分布，选定最佳的热设计方案或对已定的热设计方案做出评估，使热设计最优化，以提高可靠性。热仿真分析范围系统级分析着眼于机柜、插箱等整个系统，分析整个系统的流场、温度分布情况；单板级分析给定单板的局部环境，分析单板上芯片的散热情况，以优化器件的布板与单板的接地、过孔等设计；芯片级分析建立芯片的详细封装模型，分析芯片内部的温度分布情况。芯片的模型有物理模型和热阻模型。热仿真软件•热仿真软件可以在三维模型中模拟电子系统的热辐射、热传导、热对流、流体温度、流体压力、流体速度和运动矢量,也可以模拟强迫散热、真空状态或自然散热等。•对电子系统从环境、系统、印制板及器件内部等不同层次，就散热、温度场、和内部流体运动状态进行高效、准确的定量分析。•热仿真分为模型建立（前处理）、模型求解（求解）和结果解释（后处理）三个过程。应用软件通常相应的分为前处理器、求解器和后处理器三部分。热测试的步骤1、测试方案的制定；2、测试环境的考虑；3、测试点的选择；4、传感器的安装；5、测试数据的采集；6、测试数据的分析。在热测试中，还可以对各种方案进行对比，以选择较好的方案。热测试的目的和方法热测试的目的热测试的目的是对热设计的效果进行检验，对冷却系统的适用性和有效性进行评价，除了检查新设计的冷却系统是否达到预定技术指标外，还要对机架、集中发热元器件、整机系统的热特性参数进行测量，为热设计提供技术数据。电子设备常用热测试技术及设备温度测量–