南京热设计讲座_2011.01

中国电子学会电子设备热设计讲座韩宁西安电子科技大学2011年1月南京中国电子学会为什么要掌握热设计技术因为：体积缩小，功率增加，热流密度急剧上升热设计是器件、设备和系统可靠性设计的一项主要内容散热问题是制约设备小型化的关键问题中国电子学会课程具体章节第一章电子设备热设计要求第二章电子设备热分析方法第三章冷却方法的选择第四章电子元器件的热特性第五章电子设备的自然冷却设计第六章电子设备用肋片式散热器第七章电子设备强迫空气冷却设计中国电子学会课程具体章节第八章电子设备用冷板设计第九章热电制冷器第十章热管散热器的设计第十一章电子设备的热性能评价第十二章计算流体及传热分析第十三章热设计实例中国电子学会第一章电子设备热设计要求1.1热设计基本要求1.2热设计应考虑的问题中国电子学会1.1热设计基本要求热设计应满足设备可靠性的要求大多数电子元器件过早失效的主要原因是由于过应力（即电、热或机械应力）。电应力和热应力之间存在紧密的内在联系，减小电应力（降额）会使热应力得到相应的降低，从而提高器件的可靠性。如硅PNP型晶体管，其电应力比为0.3时，高温130℃的基本失效率为13.9×10-6h-1，而在25℃时的基本失效率为2.25×10-6h-1，高低温失效率之比为6:1。冷却系统的设计必须在预期的热环境下，把电子元器件的温度控制在规定的数值以下。应根据所要求的设备可靠性和分配给每个元器件的失效率，利用元器件应力分析预计法（GJB/299B-1998《电子设备可靠性预计手册》），确定元器件的最高允许工作温度和功耗。中国电子学会工程上为简便计算，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。双极性数字电路降额准则降额参数降额等级ⅠⅡⅢ频率0.800.900.90输出电流0.800.900.90最高结温℃85100115中国电子学会对于大部分电子器件，失效率和温度之间的关系为F=Ae－E/KT式中：F=失效率，为常数；E=电子激活能量(eV)；K=波尔兹曼常数(8.63e-5eV/K)；T=节点温度，K。102002039030730401310502280603860IncreaseinFailureRatewithTemperature(fromabasetemperatureof50C)050010001500200025001020304050TemperatureRise,CIncreaseinFailure,%中国电子学会热设计应满足设备预期工作的热环境的要求电子设备预期工作的热环境包括：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太阳或周围其它物体的辐射热载荷可利用的热沉状况（包括：种类、温度、压力和湿度等）冷却剂的种类、温度、压力和允许的压降中国电子学会表1-1空中、地面和海面典型的热环境应用分类部位或工作状态非工作状态的环境温度℃工作状态的环境温度℃最大的温度变化率℃/min飞机雷达天线罩外部设备架座仓－57～95－57～95－54～71－54～100－54～710～322020未规定导弹静态飞行动态飞行－54～95未规定－54～11354～***40宇宙飞船发射台沿轨道飞行－30～6750～40未规定0～40未规定未规定地面固定无空调室内有空调室内－57～68－57～6810～4010～25很慢很慢地面运动－57～68－40～55一般舰艇外部固定内部固定内部固定有空调－51～71－51～71－51～71－35～480～5010～50很慢很慢很慢*导弹的环境温度是散热器的温度**宇宙飞行器的温度是固定电子器件的表面温度***根据导弹的功能而决定中国电子学会表1-2MIL-E-5400中各级设备的环境条件设备等级设备运转设备运转和设备不运转设备不运转无空调的室内温度范围温度冲击℃连续℃间断(30min)℃短时(10min)℃海拔m温度范围℃温度冲击℃1级－54～5571－54～7115240－57～85－57～851A级－54～5571－54～719144*－57～85－57～851B级－40～5571－40～714572**－57～85－57～852级－54～7195－54～9521336－57～95－57～953级－54～95125150－54～12530480－54～125－54～1254级－54～125150260－54～15030480－57～150－57～1505级－54～95125125－54～12569600－57～125－57～125*给出的海拔高度范围只对运转情况有影响，1A和1B级设备将经受12192m海拔高度的试验**在海拔高度30480以上时，设备环境温度将不超过71℃，这意味着热传导和对流都很困难了中国电子学会表1-3在AR70-38中的温度范围参数工作条件贮存和运输条件气候分类日常循环空气温度范围℃太阳辐射W/m2空气温度℃热(低纬度沙漠)热—干旱32～490～112033～71热—潮湿31～410～108033～71温暖（潮湿的热带、中纬度居民密集区和工业区）常热潮湿近似不变24可以忽略接近常数27变热潮湿26～350～97030～63温暖潮湿30～430～112030～63冷一般冷－21～－32可以忽略－25～－33冷－37～－46可以忽略－37～－46很冷(北半球)很冷－51可以忽略－51（－61）可以忽略－61中国电子学会热设计应满足对冷却系统的限制要求供冷却系统使用的电源的限制（交流或直流及功率）对强迫冷却设备的振动和噪声的限制对强迫空气冷却设备的空气出口温度的限制对冷却系统的结构限制（包括安装条件、密封、体积和重量等）热设计应符合与其相关的标准、规范规定的要求中国电子学会第一章电子设备热设计要求1.1热设计基本要求1.2热设计应考虑的问题中国电子学会1.2热设计应考虑的问题应对冷却方法进行权衡分析，使设备的寿命周期费用降至最低，而可用性最高热设计必须与维修性设计相结合，提高设备的可维修性设备中关键的部件或器件，即使在冷却系统某些部分遭到破坏或不工作的情况下，应具有继续工作的能力对于强迫空气冷却，冷却空气的入口应远离其它设备热空气的出口，以免过热舰船用电子设备，应避免在空气的露点温度以下工作；机载设备宜采用间接冷却中国电子学会应考虑太阳辐射给电子设备带来的热问题，应有相应的防护措施应具有防止诸如燃料油微粒、灰尘、纤维微粒等沉积物和其它老化的措施，以免增大设备的有效热阻，降低冷却效果应尽量防止由于工作周期、功率变化、热环境变化以及冷却剂温度变化引起的热瞬变，使器件的温度波动减小到最低程度应选择无毒性的冷却剂；直接液体冷却系统的冷却剂应与元器件及相接触的表面相容，不产生腐蚀和其它化学反应中国电子学会热设计流程主要散热方法自然冷却强迫冷却冷板冷却散热器辐射散热其它散热方法热设计方案热设计目标（温度）资源约束（电子设备结构、体积、大小等）热设计工程经验热设计冷却方法的选择元器件的安装与布局印制板的散热设计机箱的结构散热设计热分析满足热设计目标和相关要求原理样机热性能评估满足热设计目标和相关要求热设计报告权衡分析改进设计是否否是中国电子学会第一章电子设备热设计要求1.1热设计基本要求1.2热设计应考虑的问题中国电子学会课程具体章节第一章电子设备热设计要求第二章电子设备热分析方法第三章冷却方法的选择第四章电子元器件的热特性第五章电子设备的自然冷却设计第六章电子设备用肋片式散热器第七章电子设备强迫空气冷却设计中国电子学会第二章电子设备热分析方法2.1热分析的基本问题2.2传热基本准则2.3换热计算2.4热电模拟2.5热设计步骤中国电子学会2.1热分析的基本问题热分析的两个基本目的：①预计各器件的工作温度，包括环境温度和热点温度；②使热设计最优化，以提高可靠性。表2-1为热分析提供详细的信息器件预计故障率(1/106h)预计的温度℃U20.05360.9U40.05260.3U60.03561.9VR10.00965.9………………中国电子学会热流量、热阻和温度是热设计中的重要参数热阻的定义：[/]ttRW℃热流量是以导热、对流和辐射传递出去的，每种传热形式所传递热量与其热阻成反比热分析的两种主要方法：①基于实验测试的准则方程法；②数值传热计算法。电子设备方案设计的各阶段都需做热分析，并随着设计的进展要求的细微程度也随之增加，如表2-2所示。参数设计方案选择阶段设计构思阶段具体设计准备决断器件功耗初步确定器件数；功耗估算最后确定器件数；功耗初步估算最后确定器件数；最后确定器件功耗热阻需要的信息很少初步绘图；分析或测试详细绘图；分析和测试散热器温度粗略估算更精确的计算最后计算过热器件粗略估计确定器件，拟定解决方法所有器件都需满足要求热分析等级初步较细致细致表2-2各预计方案热分析的等级中国电子学会第二章电子设备热分析方法2.1热分析的基本问题2.2传热基本准则2.3换热计算2.4热电模拟2.5热设计步骤中国电子学会2.2传热基本准则凡有温差的地方就有热量的传递。热量的传递过程可分为稳定过程和不稳定过程两大类传热的基本计算公式为：At式中：Φ——热流量，W；Κ——总传热系数，W/(m2·℃)；A——传热面积，m2；Δt——热流体与冷流体之间的温差，℃。热量传递的三种基本方式：导热、对流和辐射中国电子学会一、导热导热的微观机理气体的导热是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完成；非导电固体中的导热是通过晶格结构的振动来实现；液体中的导热主要依靠弹性波。导热基本定律——傅立叶定律tAx式中：Φ——热流量，W；λ——导热系数，W/(m·℃)；A——垂直于热流方向的横截面面积，m2；——x方向的温度变化率，℃/m。负号表示热量传递的方向与温度梯度的方向相反。/tx中国电子学会导热热阻对傅立叶定律在一维直角坐标系或圆柱坐标系中积分可得单层平壁和单层圆筒壁导热热阻的计算式为：[/W]tRA℃平壁导热热阻：圆筒壁导热热阻：211ln[/W]2rRLr℃式中：δ——平壁厚度，m；L——圆筒壁长度，m；r2——圆筒壁外径，m；r1——圆筒壁内径，m。减小导热热阻的方法1.缩短路径2.增大面积3.提高导热系数中国电子学会二、对流可分为自然对流和强迫对流两大类对流换热采用牛顿冷却公式计算()cwfhAtt式中：hc——对流换热系数，W/(m2·℃)；A——对流换热面积，m2；tw——热表面温度，℃；tf——冷却流体温度，℃。中国电子学会对流换热热阻1[/W]tcRhA℃对流热阻：减小自然对流热阻的措施1.流体所占的空间尽量大，如露天工作；2.传热表面尽量多地垂直于水平面；3.垂直方向的传热表面高度尺寸要小；4.若传热表面必须是水平的，则应在机壳上方；5.传热面积要大，表面要光。减小强迫对流热阻的措施1.液体较气体好；2.高流速；3.不平或带槽的表面；4.大面积。中国电子学会三、辐射辐射能以电磁波的形式传递任意物体的辐射能力可用下式计算40AT式中：ε——物体的表面黑度（表面辐射率）；σ0——斯蒂芬—玻尔兹曼常数，5.67×10-8W/(m2·K4)；A——辐射表面积，m2；T——物体表面的热力学温度，K。减小辐射热阻的措施1.表面辐射率要高；2.辐射体与吸收体之间要无障碍；3.辐射面积要大。中国电子学会第二章电子设备热分析方法2.1热分析的基本问题2.2传热基本准则2.3换热计算2.4热电模拟2.5热设计步骤中国电子学会2.3换热计算一、自然对流换热的准则方程nNuCRa式中：Nu——努谢尔特数，Nu=hcD/λ；Ra——瑞利数，Ra=Gr·Pr；Gr——格拉晓夫数，Gr=βgρ2D3Δt/μ2；Pr——普朗特数；C、n——由表2-3查得，定性温度取壁面温度与流体温度的算术平均值；h——自然对流换热系数，W/(m2·℃)；D——特征尺寸，m；λ——流体的导热系数，W/(m·℃)；β——流体的体积膨胀系数，℃