电子散热设计讲义

电子冷却散热设计通论凌昕AdvancedThermalSolution(ATS)-China北京天源博通科技有限公司地址:北京海淀区复兴路65号电信实业大厦812室邮编:100036手机：[phone]电话:[phone]传真:[phone]•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1、系统的集成度越来越高2、大功耗器件的广泛使用3、系统的大容量和产品体积的小型化要求4、环境适应性要求越来越高（如户外产品越来越多）我们为什么需要热设计？(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）102002039030730401310502280603860IncreaseinFailureRatewithTemperature(fromabasetemperatureof50C)050010001500200025001020304050TemperatureRise,CIncreaseinFailure,1/10000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、辐射传导物体直接接触时,通过分子间动能传递进行能量交换的现象。Q----传导散热量,WK----导热系数,W/m·℃A----导体横截面积,m2△t----传热路径两端温差,℃L----传热路径长度,mQ=KA△t/L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我们常常在芯片与散热器之间增加导热（绝缘）材料，是因为两个表面间凸凹不平，中间有空气，需要用导热性能好的材料填充。材料要求形状适应性好，尽可能薄、压力大（注意芯片能承受的最大压力）；常见的导热介质材料有导热胶、导热硅脂、导热软硅胶垫片、导热云母片、导热相变材料等，适用场合各不相同；由于导热硅脂的填充性好，在两个比较平的表面上，热阻比其它导热绝缘材料小；目前常用导热硅脂的导热系数为0.8～1，但也有2、4、5，最大可达10。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。冷却方法的选择冷却方法的分类按冷却剂与被冷元件之间的配置关系a.直接冷却b.间接冷却按传热机理a.自然冷却（包括导热、自然对流和辐射换热的单独作用或两种以上换热形式的组合）b.强迫冷却（包括强迫风冷和强迫液体冷却等）c.蒸发冷却d.热电致冷e.热管传热f.其它冷却方法冷却方法的选择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。几种降低传热热阻的方法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。AxialFan-airflowsaxially.轴流风机CentrifugalFan(Blower)-airflowsradially.离心风机CrossFan-airflowsacrosstheaxis.混流风机风机的选择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