电子设备热设计基础(电子部讲课做讲义用1)

北京航空航天大学电子设备热设计付桂翠一．热设计基本知识二．热设计理论基础三．热设计的方法四．热分析五．热试验电子设备热设计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。0.100.050.150.200.30050100150200电阻可变电阻晶体管(硅50%)微电子器件(双级数字电路)微电子器件(CMOS器件)故障率(故障数F/106h)温度(℃)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元器件类别基本失效率，λb（10-6/h）温升△T（℃）高温与室温失效率之比高温室温PNP硅晶体管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/Z299B）热对系统可靠性的影响平均故障间隔时间（MTBF）是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：RQEbppnPPP21PMTBF1＝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）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（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。△T＝RQ热阻的单位是℃/W。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θjc。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；在交界面上有导热填充剂。（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”。HeatSink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。热路与电路R=U/IR1R2R3UIRt1Rt2Rt3t/qThermalSink(environment)Rt=t/Q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（级通道，冷却剂可直接通过）m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%。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。t=－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。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0.17~0.411211075环氧树脂0.41041不同材料的导热特性Diamond1600~2300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。①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。）②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、流道的尺寸大小等阻力因素有关。）t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。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1～10200～1000强迫对流气体高压水蒸气水20～100500～35001000～15000水的相变换热沸腾蒸汽凝结2500～35005000－25000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：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。热设计目标（温度）资源约束（电子设备结构、体积、大小等）热设计方案热设计工程经验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冷却方法的选择元器件的安装与布局印制电路板的散热设计机箱的结构散热设计权衡分析改进设计满足热设计目标和相关要求满足热设计目标和相关要求热设计报告热分析原理样机热性能评估是否是否热设计热设计流程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/299B－1998《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=Aexp{NT/[273+T+(△T)S]}exp{[273+T+(△T)S]/TM}P式中∶A—失效率换算系数；NT、P—器件中的形状参数；T—工作温度(环境或壳温)，℃；△T—TM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ⅠⅡⅢ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）。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。自然冷却直接液体冷却蒸发冷却强迫空气冷却0.040.08(最大)0.611.22最大最大160W/cm2(强迫液体冷却，大温差)00.8(最大800W/cm2，大温差)1.6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常用冷却方法的体积功率密度自然散热强迫风冷直接液冷蒸发冷却金属导热0.009最大0.30.1220.4250.611.22体积功率密度(W/cm3)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248mm×381mm×432mm的机柜里，放在正常室温的空气中，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：)/(0073.02.431.388.243003cmWVv)/(04.