电子产品热设计原理和原则

目录1.热设计简介2.各种散热方式的影响因素3.机顶盒散热设计2019/8/42热设计简介2019/8/43在热源至热沉之间提供一条低热阻通道热设计核心热沉2019/8/44墙壁空气热能传递只有3种方式:热传递方式传导、对流辐射、2019/8/45各种散热方式的影响因素2019/8/46传导散热2019/8/47传导散热传导——在物体（固体）中传播的热能的传递截面积长度两端温差传导导热的热量(=W)导热率[/(Wm.X℃）]截面积[]m2X[两端温度差长度[]m℃]2019/8/48Q=KA△t/LL----传热路径长度,m传导散热计算公式Q----传导散热量,WK----导热系数,W/m·℃A----导体横截面积,m2△t----传热路径两端温差,℃2019/8/49传导热阻的概念由公式Q=KA△t/L变形可得：△t=QL/KA13结合公式1和公式2，得出热阻和导热系数的关系：R=L/KA模仿电路电压和电流电阻关系的公式U=IR,引入热阻概念，△t=QR22019/8/4102019/8/411热传导改善热阻的影响因素减少热传路径长度R=L/KA选用导热系数高的材料增加导热面积降低热阻2019/8/412TaTsTcTjRsaRcsRjcTjTcTsTaTj----晶片界面温度，一般115-180℃,军用65-80℃;Tc----晶片与导热介质界面温度Ts----导热介质与散热片界面温度Ta----外界为空气35-45℃，密闭空间或接近其他热源50-60℃Rjc----晶片到封装外壳热阻Rcs----导热介质热阻Rsa----散热片热阻散热片导热热阻模型R=Rjc+Rcs+Rsa2019/8/413越薄越好?越薄越好！越薄越好！减少热传路径长度措施芯片封装外壳在保证机电性能前提下尽量薄导热膏或者导热垫尽量薄散热片的导热底尽量薄2019/8/41418页进一步探讨选用导热系数高的材料芯片封装材料硅99.9%150玻璃1.09树脂2.16三氧化二铝322019/8/415导热膏导热垫种类厂家型号导热系数导热膏DowCorningTC-50223.3导热胶SONYUT6006W1.74导热垫BergquistGappad5000S3552019/8/416散热片材料纯铝220纯铜386纯银4182019/8/417增加导热面积2019/8/418结论1：散热片吸热底面积增加，芯片有效散热面积增大纵向热阻减小2019/8/419结论2：散热底板厚度增加，芯片有效散热面积增大面积与厚度之间要取优化值横向热阻减小2019/8/420吸热导热散热散热过程三步骤对流2019/8/421吸热效果取决于吸热底设计吸热底4个要求•吸热底与发热设备间热阻小，可以迅速的吸收其产生的热量吸热快•在去热不良的状态下，可以吸收较多的热量而自身温度升高较少储热多•传导相同功率热量时，吸热底与发热设备及鳍片两个介面间的温差小热阻小•能够将从发热设备吸收的热量迅速的传导到鳍片部分，进而散失去热快2019/8/422散热片夹具和导热膏吸热底与发热设备结合紧密吸热底与发热设备热阻小吸热快2019/8/423选择铜材做吸热底体积比热容高储热多2019/8/424吸热底和鳍片焊接、改进压铸工艺吸热底和鳍片接触面积大，热阻低去热快2019/8/425对流散热2019/8/426对流散热计算公式Q=hA△tQ----对流散热量,WK----换热系数,W/m2·℃A----导体横截面积,m2△t----换热表面与流体温差,℃2019/8/427热对流改善R=1/hA增加流体换热系数增加换热面积降低热阻常用冷却介质的对流换热系数表单位：W/m2·℃介质自然对流强制对流空气5-2520-100水200-10001000-15000油----------------50-1500水蒸气-----------------5000-15000水沸腾2500-25000------------------自然散热主要由两部分组成：辐射换热+自然对流。其中辐射换热占的比例20~50%左右（跟物体温度及表面处理有关）自然散热时，可以假设热交换系数10w/m2.℃2019/8/428空气自然流动时的传热系数[/(W.2.5XX℃）]=姿势系数()m2水平设置向上竖直设置水平设置向下0.25代表长度[]m温度差[℃]代表长度[]m姿势系数0.560.520.26长度方向纵+横纵横XX2自然对流换热系数2019/8/429长度空气强制流动时的传热系数[/(W.3.86X℃）]=m2流速[]m/s流动方向上的长度[]m强制对流换热系数2019/8/4302019/8/431对流换热改善2019/8/432改善对流换热系数的措施流体相变变化流体在气体和液体之间变化引起流动原因强制对流和自然对流流体流动形态层流和紊流流体物理性质比热容、导热系数、密度、黏度传热面几何性质形状、大小2019/8/433流体相变变化液态流体气态流体蒸发段冷凝段在热管中使用，受热的流体蒸发气化，将热量带到冷凝段。流体在冷凝段冷却液化后，通过毛细作用流回蒸发段。自然对流2019/8/434强制对流强制对流和自然对流强制对流散热系数远大于自然对流2019/8/435层流和紊流层流紊流流体分层流动，各流层之间互不混杂而平行于管道轴线流动，流层间没有流体质点的相互交换。流体不再分层流动，流体质点除沿管道轴线方向运动外，还有剧烈的径向运动。紊流散热系数大于层流2019/8/436常用冷却流体物理性质表流体种类比热容(J/Kg)导热系数(W/m·℃)密度(kg/m3)黏度(10-3Pa·s)水4.2X1030.6265,35℃992,40℃0.7208,35℃水蒸气2.1X1030.031595150℃2.5481,150℃0.013,150℃空气1.005X1030.0231.1774,20℃0.0179,20℃乙醇70%（V/V）2.4X103975煤油2.1X1030.1566800散热面积的改善流体方向流体方向流体方向散热面积小散热面积大散热面积更大难以冷却容易冷却最易冷却2019/8/437增加1倍散热量增加1倍减小到1/2散热量增加0.4倍增加1倍散热量增加1倍增加1倍散热量增加0.4倍气流方向长度流速散热面积与气体温差气流散热面热源散热片散热因素的定量分析2019/8/438散热片散热计算实例在80℃的散热板上，让40℃的空气平行流过的强制空冷散，求散发的热量。50mm50mm一律为80℃空气℃40流速2m/s对流传热的热量(=W)传热系数[/(W.X℃）]截面积[]mm22X[两端温度差℃]20.05=3.86XX(0.05X0.05)X(80-40)=2.44(W)因为翼片有正反两面，所以每个翼片的散热量为4.88W.因为翼片不可能做到均一温度分布，所以要引入翼片效率的概念，计算结果为81%，则翼片散热量应该修正为3.97W翼片效率=tanh(m.d)m.dd:m翼片长度()m:翼片热传导率翼片热传导率X2翼片厚度Tanh(X)=(ex-e-x)/(ex+e-x)2019/8/439散热片的规格选取2019/8/440求取散热片总面积确定吸热底尺寸确定散热片高度和数量在散热片规格中选取相近的规格散热量热源尺寸总面积和吸热底尺寸散热片的材料和表面处理材料：1.散热要求不高的场合，用铝材；2.散热要求高的场合，用铜材；3.兼顾成本、散热性能要求，基座用铜，鳍片用铝。表面处理：为提高鳍片外表面的辐射接收性能，将外表做黑化处理提高鳍片黑度2019/8/441安装散热片的注意事项：1、保证半导体功率器件工件时的实际结温小于最大结温的情况下，应该尽量选用体积小、重量轻的规格。2、散热效果优劣与安装工艺有密切关系。安装时应尽量增大功率器件与散热片的接触面积，降低接触热阻，提高传热效果。3、如果把接触热阻降的更小些，安装时在功率器件与散热器之间加一层薄薄的导热硅脂，可以降低热阻25％-35％。4、安装时需要在器件与散热器之间垫导热或绝缘垫片，建议采用低热阻材料，如紫铜箔、铝箔或薄云母、聚酯薄膜。5、当安装一个器件时，其安装孔（或组孔）置于散热片基面中心线上均布（L/2）位置。当安装两个或两个以上器件时其安装孔（或组孔）位置在散热器基面中心线上均布（L/2n）位置。6、紧固器件时需保证螺钉扭力一致。7、功率器件与散热片安装好后，不宜再对功率器件和散热片进行机械加工或整形，否则会产生应力，增加接触热阻。8、单面肋片式散热器，适于在设备外部（如安装在机箱外部）作自然风冷，即利于功率器件的通风散热又可降低机内温升。9、自然冷却时，应使散热片的断面平行于水平面的方向；强制风冷时，应使气流的流向平等于散热片的肋片方向。散热片的安装2019/8/4422019/8/443自然对流2019/8/4442019/8/445自然对流需考虑的问题2019/8/4461.元器件布局是否合理①发热高且耐热原件放在出风口处，②不耐热原件放在进风口处，避免发热元件对不耐热元件的辐射影响，可采用隔离措施；③热流密度高的器件放在边缘与顶部，靠近出风口的位置，与其他发热元件和热敏元件在空气上升方向上错开位置；④大功率器件应该分散布局，避免热量集中；⑤不同尺寸元器件尽量均分布，使风阻均布。2019/8/4472.是否有足够自然对流空间①元器件与结构件之间保持13mm以上的距离；②相邻两垂直发热表面，D/L=0.25；③相邻垂直发热表面与冷表面，Dmin=2.5mm;④邻近的水平发热圆柱体和冷的上表面,d/D=0.85;⑤邻近的水平发热圆柱体和冷的垂直表面,d/D=0.7；⑥邻近的水平发热圆柱体和冷的水平表面,d/D=0.65；⑦进出风口尽量远离，避免气流短路。热热LD热冷LD冷热dDD冷热dD冷热d2019/8/4483.是否充分利用导热路径：导热材料将发热器件与机壳相连。4.是否充分利用辐射散热路径；5.使用散热器；6.其他冷却技术：冷管烟囱效应如果温度变高，空气就会膨胀。也就是说，如果体积相同，热空气会变轻。较轻的空气被较重的空气推开，然后上升。这就是自然对流。如果用墙壁将又热又轻的空气包围起来，敞开上下面，可进一步地促进自然对流。这就是烟囱效应。2019/8/449H基于烟囱效应的静压[kg/m2]=(外部空气密度[kg/m3]-(内部空气密度[kg/m3])X烟囱高度[m]空气密度[kg/m3]=0℃的空气密度[kg/m3]X273.15/(273.15+气温[℃])烟囱效应形成的压差假设外部空气温度40℃，内部空气温度80℃，箱子高28cm，求空气压差。解：已知0℃空气密度为1.293g/L外部空气密度=1.293X273.15/(273.15+40)=1.128g/L内部空气密度=1.293X273.15/(273.15+80)=1g/L盒子烟囱效应的静压=（1.128-1）X0.28=0.0358kg/m2=0.351Pa2019/8/450烟囱效应的例子2019/8/4512019/8/452强制对流2019/8/4532019/8/4541.风道设计①尽量采用直通风道，避免气流转弯；②尽量避免骤然扩张或者骤然收缩；③进出风口尽量远离，避免气流短路;④正面、侧面、背面如无必要不要开孔，避免气流短路;⑤避免上游单元发热影响下游单元，可采用独立风道；⑥避免风道回流区和低速区产生热点；⑦并联风道避免风阻不合理布局；⑧避免风道高低压区短路。2019/8/455估计换气量估计系统阻尼选择风扇类型选择风扇型号基于排气的散热量产品内部构造（风道）风扇P-Q特性图风扇产品目录强制对流的工作流程换气量的估算2019/8/45670W(60℃)(40℃)30W100W所需空气量（L/秒）=热量[W]空气热容量[J/L.℃]X温度上升[℃]空气热容量：1.2953温度上升：作为产品指标的允许温度和使用环境温度之间的差所需空气量为2.7[L/秒]风扇P-Q特性图静压(Pa)流量（分）m/3装置阻尼特性风扇性能工作点P-Q图2019