接触热阻在电子设备热仿真分析中的影响
机械工程师
MECHANICAL ENGINEER
接触热阻在电子设备热仿真分析中的影响
董进喜，张娅妮，白振岳，刘冰野
(中航工业西安航空计算技术研究所，西安710119)
摘要:在自然散热的电子设备热仿真设计中，往往忽略了机箱导轨与模块冷板之间的接触热阻。文中通过不完全贴合接触面热阻预计模型对电子设备内导轨和冷板之间的热阻值进行计算，然后在热仿真分析中添加该接触热阻值，通过对比测试板上温度、传统仿真温度值、试验测试温度值进行对比,进而分析接触热阻对电子设备热仿真的影响情况
关键字:接触热阻不完全贴合热仿真自然散热
中图分类号：TNC2TP3S19文献标志码：B文章编号：1002-2333( 2017 )01-0129-02
0引言
在自然散热的电子设备散热过程中，主要热传递路 径为:元器件寅印制板寅支撑架(模块壳体)寅导轨寅箱 体寅机箱周围空气冷却，热量传递过程热阻包括传导热 阻和界面接触热阻[1]。由于这些接触的表面很难完全贴合 或理想光滑，因此结构件之间热传导必然存在接触热阻。自然散热电子设备内结构件接触的间隙中存有空气气由 于在温度低于700K的环境下，辐射换热可以忽略。并且自 然散热电子设备内气体介质的流动较小，间隙内的热传 导主要以空气的传导换热。因此，接触界面之间的热传导 主要依靠微小接触面之间的实体热传导和间隙气体介质 的传导。研究表明，对界面接触热阻的产生的影响因素 较多，主要有结构件材料的热参数，间隙间介质的热参 数，气压(环境压力），接触表面特征参数，加载压力，材料 微硬度等[4]。本文通过采用不完全贴合接触面的热阻计算
表2各类型模块稳态测试结果
模块类别35益供液温度最高芯片名称
A型模块106.5PTH0506WAS
B型模块77.3MPC8548E
C型模块114.6LT1963
D型模块93.2TPS70451
E型模块51.2ERA-50SM
F型模块75.2WHM0716AE
G型模块89.840CPQ045PBF
H型模块72.3MPC8548E
I型模块115.7MNA-7
J型模块96.8TMS320
K型模块147.0EP3C55F484I8N
表面，容易维护，如需更换组件，可以在30 min内完成组 件的更换。
2)可靠性高。相对于其他密封形式，平面静态密封的 寿命长，可靠性高。采用自密封接插件时，结构件随时均 参与受力，结构件随时都处于形变状态，自密封接插件处 于一个动态密封的情况下，动态密封的寿命通常为1~ 2 a。而采用了管路组件的分汇流系统，密封为平面密封，模型对接触界面热阻进行分析，然后将热阻值考虑到电 子设备的热仿真分析中，对电子设备结构的热仿真进行 补充完善，提高电子设备热设计和分析的精确性。
1机箱导轨及模块冷板间接触热阻的计算分析
自然散热的标准电子设备内，各模块主要通过锁紧 块固定安装在箱体导轨内，典型安装结构图如图1所示。模块上芯片热流除了部分自然散热，大部分通过模块冷 板与机箱导轨接触面将热量导到机箱箱体上，进而将热 量传递到周围环境中。
不完全贴合接触面的接触热阻R.主要由微接触热阻 Rs、宏接触热阻R l、微间隙热阻Rg、宏间隙热阻R，，具体 计算分析模型如下：
R=j (1/Rs+1/Rg)-'+RL+ d;
而由于软管基本无刚度，所以法兰不受力，不会随着结构 件变形，密封属于静态密封，静态密封的寿命可达6a或更 长。
6结语
在国内航空液冷设备研制的探索过程中，本文论述 的多层液冷机架设计方案解决了液冷综合机架设备的热 设计的关键问题，并在某型号工程中得到了实施验证。
[参考文献]
[1]机载计算机模块设计要求:GJB 2355-95[S].
[2] ROBINSON W.Why and How Should High-Speed Aircraft
Electronics Be Liquid Cooled?[J].Ire Transactions on
Aeronautical&Navigational Electronics，1958，ANE-5(1):36-46.
[3] LEVASSEUR R.Liquid cooled approaches for high density
avionics[C]//Digital Avionics Systems Conference,1991.
Proceedings.Ieee/aiaa.IEEE, 1991:147-152.
[4]胡家渝，吕倩.液冷系统流道分流解析模型研究[J].电子机械工
程，2011，27(1):19-22.
(编辑黄荻）
作者简介：吴伟(1980—)，男，工程师，主要从事电子设备结构设计工作。收稿日期：2016-08-04
网址：https://www.360docs.net/doc/f07848276.html, 电邮：hrbengineer@https://www.360docs.net/doc/f07848276.html, 2017 年第1期129
Flotherm中的接触热阻的设置与验证
Flotherm中的接触热阻的设置与验证 相信大家在使用Flotherm时都会碰到如何设置固体与固体之间的接触热阻的问题，软件对此也给出了非常方便的设置。下面给出了设置的过程与验证结果。 首先以软件自带的Tutorial 1作为研究对象，然后分别对模型中的Large Plate 和Heated Block取Monitor（位于对象的中心）。测量Heated Block的尺寸，Length=40mm，后面将会用到该参数。
对模型不做任何更改，直接进行计算。下图是模型的表面温度云图，从Table 里可以知道Monitor的最终温度值。 THeated-Block=78.8552, TLarge-Plate=77.9205 接下来，开始设置接触热阻。对Heated Block进行Surface操作，在Surface Finish对话框中新建一个Surface属性22，然后在Surface Attribute里的Rsur-solid 中进行设置。这里，希望在Heated Block和Large Plate之间的添加一个1°C/W的接触热阻，而Rsur-solid的单位是Km^2/W，其实就是(K/W)×(m^2)，即所需热阻值与接触面的面积。前面知道，Heated Block是一个边长为40mm的正方形，面积即为0.0016m^2，所以，这里需要输入的值就是： 1°C/W×0.0016m^2=0.0016Km^2/W。 Heated Block与Large Plate的接触面出现在Heated Block的Xo-Low面上，就需要在Surface Finish对话框中的Attachment的下拉菜单中选择Xo-Low。
电子产品热设计、热分析及热测试
电子产品热设计、热分析及热测试培训 各有关单位： 随着微电子技术及组装技术的发展，现代电子设备正日益成为由高密度组装、微组装所形成的高度集成系统。电子设备日益提高的热流密度，使设计人员在产品的结构设计阶段必将面临热控制带来的严酷挑战。热设计处理不当是导致现代电子产品失效的重要原因，电子元器件的寿命与其工作温度具有直接的关系，也正是器件与PCB中热循环与温度梯度产生热应力与热变形最终导致疲劳失效。而传统的经验设计加样机热测试的方法已经不适应现代电子设备的快速研制、优化设计的新需要。因此，学习和了解目前最新的电子设备热设计及热分析方法，对于提高电子设备的热可靠性具有重要的实用价值。所以，我协会决定分期组织召开“电子产品热设计、热分析及热测试讲座”。现具体事宜通知如下 【主办单位】中国电子标准协会培训中心 【协办单位】深圳市威硕企业管理咨询有限公司 一、课程提纲：课程大纲以根据学员要求，上课时会有所调整，具体以报到时的讲义为准。 一、热设计定义、热设计内容、传热方法 1 热设计定义 2 热设计内容 3 传热方法简介 二、各种元器件典型的冷却方法 1 哪些元器件需要热设计
2 冷却方法的选择 3.常用的冷却方法及冷却极限各种元器件典型的冷却方法 4. 冷却方法代号 5 各种冷却方法的比较 三、自然冷却散热器设计方法 1 自然冷却散热器设计条件 2 热路图 3 散热器设计计算 4 多个功率器件共用一个散热器的设计计算 5 正确选用散热器 6 自然冷却散热器结温的计算 7 散热器种类及特点 8 设计与选用散热器禁忌 四、强迫风冷设计方法 1 强迫风冷设计基本原则 2 介绍几种冷却方法 3. 强迫风冷用风机 4. 风机的选择与安装原则 5 冷却剂流通路径的设计 6 气流倒流问题及风道的考虑 7 强迫风冷设计举例(6个示例) 五、液体冷却设计方法
接触热阻与接触导热填料 1999
接触热阻与接触导热填料 任红艳胡金刚 (北京空间飞行器总体设计部北京100086) 文摘在调研国内外接触热阻研究的基础上,介绍了关于接触热阻及接触导热填料的研究发展情况。对导热脂及油、金属、导热垫、RTV、镀层等导热填料的性能、应用情况作了简介,提供工程应用参考。 关键词接触热阻,接触热导率,填料 Thermal Contact Resistance and Thermal Conductive Filler Ren Hongyan Hu Jingang (Beijing Insti tute o f Spacecraft System Engineering Beijing100086) Abstract O n the basis investigation of thermal contact resistance developed in the w orld,the development on ther2 mal contact resistance and thermal conductive filler is briefly introduced.The properties and applications of some thermal conductive filler materials such as thermal conductive grease and oil,metal,gasket,RT V,coating etc.are presented here to provide reference to engineering use. Key words Thermal contact resistance,Thermal contac t conductive,Filler 1引言 航天器在其飞行过程中要经历极为恶劣的热环境,其温度可从摄氏零下200多度变至数千度以上。因此,为保证航天器能正常工作,就需要对航天器内外各组件、仪器设备之间的导热过程进行控制,导热过程的控制是以分析和控制导热途径上的热阻为出发点,而影响实际导热过程的一个重要因素就是构件之间的接触热阻。 接触热阻是由于两接触面凹凸不平使得接触不完全而产生的热阻。接触热阻的大小与接触表面的材料、连接方式、表面状况及接触压力大小等多种因素有关。因此,接触热阻就很容易成为卫星热分析中的不确定因素,这种不确定性在极端情况下,甚至会影响卫星热设计的可靠性和卫星运行的可靠性。即使在一般情况下,接触热阻的存在也会增大热流途径上的温降。对航天器热控制来说,过大的接触热阻还可能使其它热控手段(比如热管)失效。 随着科学技术的发展,在工程实践和科学实验中,接触热阻问题愈来愈引起人们的注意。特别是随着空间技术的发展,卫星内大功率组件的热功耗越来越大,为使卫星内部的温度处于适宜的范围之内,就需要对接触热阻问题进行理论和实验研究,以对卫星内部导热过程进行有效的控制。 2接触热阻的理论研究 2.1接触热阻的点理论 如果把离散的局部接触面积称为点,接触热阻点理论的一般方法是:对单接触点接触热阻算法进行研究,再对接触点数目进行研究,从而完成对多接触点接触热阻的计算。对单接触点接触热阻的计算大多将接触点简化为圆台、圆柱及圆盘三种计算模型,这三种模型中,圆台计算模型较其它两种更接近实际情况,因它考虑了锥角H的影响。 收稿日期:1999-03-22 任红艳,1972年出生,主要从事接触热阻方面的研究工作
导热系数、传热系数、热阻值概念及热工计算方法(简述实用版)
导热系数、传热系数、热阻值概念及热工计算方法 导热系数λ[W/(m.k)]： 导热系数是指在稳定传热条件下，1m厚的材料，两侧表面的温差为1度(K,℃),在1小时内，通过1平方米面积传递的热量，单位为瓦/米?度(W/m?K,此处的K可用℃代替)。导热系数可通过保温材料的检测报告中获得或通过热阻计算。 传热系数K [W/(㎡?K)]： 传热系数以往称总传热系数。国家现行标准规范统一定名为传热系数。传热系数K值，是指在稳定传热条件下，围护结构两侧空气温差为1度(K，℃)，1小时内通过1平方米面积传递的热量，单位是瓦/平方米?度(W/㎡?K，此处K可用℃代替)。传热系数可通过保温材料的检测报告中获得。 热阻值R(m.k/w)： 热阻指的是当有热量在物体上传输时，在物体两端温度差与热源的功率之间的比值。单位为开尔文每瓦特（K/W）或摄氏度每瓦特（℃/W）。 传热阻： 传热阻以往称总热阻，现统一定名为传热阻。传热阻R0是传热系数K的倒数，即R0=1/K，单位是平方米*度/瓦（㎡*K/W）围护结构的传热系数K值愈小，或传热阻R0值愈大，保温性能愈好。 （节能）热工计算： 1、围护结构热阻的计算 单层结构热阻：R=δ/λ 式中：δ—材料层厚度(m)；λ—材料导热系数[W/(m.k)] 多层结构热阻：R=R1+R2+----Rn=δ1/λ1+δ2/λ2+----+δn/λn 式中: R1、R2、---Rn—各层材料热阻(m.k/w) δ1、δ2、---δn—各层材料厚度(m) λ1、λ2、---λn—各层材料导热系数[W/(m.k)] 2、围护结构的传热阻 R0=Ri+R+Re 式中: Ri —内表面换热阻(m.k/w)(一般取0.11) Re —外表面换热阻(m.k/w)(一般取0.04) R —围护结构热阻(m.k/w) 3、围护结构传热系数计算 K=1/ R0 式中: R0—围护结构传热阻 外墙受周边热桥影响条件下，其平均传热系数的计算 Km=(KpFp+Kb1Fb1+Kb2Fb2+ Kb3Fb3 )/( Fp + Fb1+Fb2+Fb3) 式中:Km—外墙的平均传热系数[W/(m.k)] Kp—外墙主体部位传热系数[W/(m.k)]
接触热阻ansys例子
命令如下：finish /clear /prep7 et,1,solid70 mp,kxx,1,100 mp,dens,1,1000 mp,c,1,2000 ET,2,TARGE170 ET,3,CONTA174 mp,mu,6,0.1 block,0,0.01,0,0.01,0,0.1 block,0,0.01,0,0.01,0.1,0.2 vsel,s,,,1 vatt,1 esize,0.001 vmesh,all vsel,s,,,2 vatt,1 esize,0.002 vmesh,all R,3, RMORE, RMORE,,1000 RMORE,0 keyopt,3,1,2 !temp as DOF KEYOPT,3,9,0 KEYOPT,3,10,1 KEYOPT,2,2,0 KEYOPT,2,3,0 /solu asel,s,,,2 NSLA,S,1 Type,2 Mat,6 Real,3 ESURF allsel ASEL,S,,,7 NSLA,S,1 Type,3 Mat,6 Real,3 ESURF allsel asel,s,loc,z,0 da,all,temp,100 asel,s,loc,z,0.2 da,all,temp,200 alls solve /post1 set,last plns,temp 1
2 图 1 模型网格划分 图 2、模型整体温度云图 图 3、导体整体上的温度分布，可以明显看出在0.1米处，由于接触热阻而引起的温度差。 有问题请联系有问题请联系：： 下天雄 mawb_ihep@https://www.360docs.net/doc/f07848276.html,
(精品)热阻及热导率的测量方法
热阻及热导率测试方法 范围 本方法规定了导热材料热阻和热导率的测试方法。本方法适用于金属基覆铜板热 阻和导热绝缘材料热阻和热导率的测试。 术语和符号 术语 热触热阻 contact resistance 是测试中冷热两平面与试样表面相接触的界面产生热流量所需的温差。接触热阻 的符号为R I 面积热流量areic heat flow rate 指热流量除以面积。 符号 下列符号适用于本方法。 λ：热导率，W/（m﹒K）； A：试样的面积，m 2 ； H：试样的厚度，m； Q：热流量，W 或者 J/s； q：单位面积热流量，W/ m 2 ； R：热阻，（K﹒m 2 ）/W。 原理 本方法是基于测试两平行等温界面中间厚度均匀试样的理想热传导。 试样两接触界面间的温 度差施加不同温度，使得试样上下两面形成温度梯度，促使热流量全部垂直穿过试样测试表 面而没有侧面的热扩散。 使用两个标准测量块时本方法所需的测试： T1＝高温测量块的高温，K； T2＝高温测量块的低温，K； T3＝低温测量块的高温，K； T4＝低温测量块的低温，K； A＝测试试样的面积，m 2 ； H＝试样的厚度，m。 基于理想测试模型需计算以下参数： T H：高温等温面的温度，K； T C：低温等温面的温度，K； Q：两个等温面间的热流量 热阻：两等温界面间的温差除以通过它们的热流量，单位为（K﹒m 2 ）/W； 热导率：从试样热阻与厚度的关系图中计算得到，单位为W/(m.K)。
接触热阻存在于试样表面与测试面之间。 接触热阻随着试样表面特性和测试表面施加给试样 的压力的不同而显著变化。因此，对于固体材料在测量时需保持一定的压力，并宜对压力进 行测量和记录。热阻的计算包含了试样的热阻和接触热阻两部分。 试样的热导率可以通过扣除接触热阻精确计算得到。 即测试不同厚度试样的热阻，用热阻相 对于厚度作图，所得直线段斜率的倒数为该试样的热导率，在厚度为零的截取值为两个接触 界面的接触热阻。如果接触热阻相对于试样的热阻非常小时（通常小于1％），试样的热导率 可以通过试样的热阻和厚度计算得出。 通过采用导热油脂或者导热膏涂抹在坚硬的测试材料表面来减小接触热阻。 仪器 符合本测试方法的一般特点要求的仪器见图A.1和图A.2。 该套仪器增加测厚度及压力监测等 功能，加强了测试条件的要求来满足测试精度需要。 仪器测试表面粗糙度不大于0.5μm；测试表面平行度不大于5μm。 精度为1μm归零厚度测试仪（测微计、LVDT、激光探测器等）。 压力监测系统。 图A.1 使用卡路里测量块测试架 图A.2 加热器保护的测量架 热源可采用电加热器或是温控流体循环器。主热源部分必需采用有保护罩进行保护， 保护罩 与热源绝缘，与加热器保持±0.2K的温差。避免热流量通过试样时产生热量损失。无论使用 哪一种热源，通过试样的热流量可以用测量块测得。 热流量测量块由测量的温度范围内已知其热导率的高热导率材料组成。为准确测量热流量， 必须考虑热传导的温度灵敏度。推荐测量块材料的热导率大于50 W/(m.K)。 通过推算测量块温度与测试表面的线性关系（Fourier传热方程），确定测量块的热端和冷端 的表面温度。 冷却单元通常是用温度可控的循环流体冷却的金属块，其温度稳定度为±0.2 K。 试样的接触压力通过测试夹具垂直施加在试样的表面上，并保持表面的平行性和对位。
电子设备热设计
习题1 1. 平壁的厚度为δ，两表面温度分别为t 1和t 2，且t 1＞t 2。平壁材料之导热系数与温度的关系呈线性，即()01t λλβ=+。试求热流密度和壁内温度分布的表达式。 2. 变压器的钢片束由n 片钢片组成，每一钢片的厚度为0.5mm ，钢片之间敷设有厚度为0.05mm 的绝缘纸板。钢的导热系数为58.15W/(m ·℃)，绝缘纸的导热系数为0.116 W/(m ·℃)。试求热流垂直通过钢片束时的当量导热系数。 3. 用稳定平板导热法测定固体材料导热系数的装置中，试件做成圆形平板，平行放置于冷、热两表面之间。已知试件直径为150mm ，通过试件的热流量Φ＝60W ，热电偶测得热表面的温度和冷表面的温度分别为180℃和30℃。检查发现，由于安装不好，试件冷、热表面之间均存在相当于0.1mm 厚空气隙的接触热阻。试问这样测得的试件导热系数有多大的误差？ 4. 蒸汽管道的外直径为30mm ，准备包两层厚度均为15mm 的不同材料的热绝缘层。第一种材料的导热系数λ1＝0.04W/(m ·℃)，第二种材料的导热系数λ2＝0.1W/(m ·℃)。若温差一定，试问从减少热损失的观点看下列两种方案：⑴第一种材料在里层，第二种材料在外层；⑵第二种材料在里层，第一种材料在外层。哪一种好？为什么？ 5. 导热复合壁，由λ1＝386W/(m ·℃)的铜板，λ2＝0.16W/(m ·℃)的石棉层及λ3＝0.038W/(m ·℃)的玻璃纤维层组成，它们的厚度分别为2.5cm 、3.2mm 和5cm 。复合壁的总温差为560℃，试求单位面积的热流量为多少？ 6. 内径为300mm 、厚度为8mm 的钢管，表面依次包上一层厚度为25mm 厚的保温材料（λ＝0.116W/(m ·℃)）和一层厚度为3mm 的帆布（λ＝0.093W/(m ·℃)）。钢的导热系数为46.5W/(m ·℃)。试求此情况下的导热热阻比裸管时增加了多少倍？ 7. 蒸汽管道材料为铝，导热系数为204W/(m ·℃)，内、外直径分别为86mm 和100mm ，内表面温度为150℃。用玻璃棉（λ＝0.038W/(m ·℃)）保温，若要求保温层外表面温度不超过40℃，且蒸汽管道允许的热损失为φ1＝50W/m ，试求玻璃棉保温层的厚度至少应为多少？
浅谈热力学对流系数与接触热阻
浅谈热力学对流系数与接触热阻 浅谈热力学对流系数与接触热阻 摘要：热流从一个面流入则会从另一个面穿出，净流体积的热量等于从一些面元流入面的减去从其它面元流出面的热量.这里符号规则规定热流流出为正，单位时间内流入小体积元内的总热量和波动方程比较，这三类边界条件虽然是从不同的物理模型中归结出来的，具有不同的物理意义，但它们的数学形式却是相同的，由此说明提出这三类边界条件的普遍意义。 关键词：热力对流系数接触热阻 一、引言 在实际应用中，散热片可以具有不同的横截面面积并且可以连接到圆形表面上。在不同的横截面区域必须要推导一个变量，其基本的解决方案是运用微分方程和数学技术，然而采用微分方程和数学技术会变得更加繁琐，推导出更复杂的情况从而不利于得出结果。热导率的物理意义为：当相距单位长度的两个平行平面间的温度相差一个单位时，在单位时间内通过单位面积所传导的热量。对流传热系数是在对流传热条件下，单位时间内经对流方式从表面S传出的热量与温度差T1-T2和表面积S的比例。 若要测量良导体样品，则样品需做成截面积比较小而传热方向上的长度较大的细长形状。因为良导体的导热性能好，样品只有做的比较长才能在其两端产生比较明显、易于测量的温差，而做的比较细是为了尽可能减小侧面散热的影响。需要热电偶的冷端保持温度恒定，实验中采用冰水混合物来保证热电偶的冷端保持0℃；需要尽可能减小样品侧面散热的影响，因此将样品做成薄圆盘状；需要样品的上、下表面各自温度均匀且易于测量，实验中加热盘和散热盘均为金属盘且各自与样品的上、下表面分别密切接触；需要易于散热，实验中采用风扇对散热盘吹风来保证，等等。理论上对环境温度是先测量还是后测量都是一样的，但是从实际情况分析还是后测量比较准确，这是从减小实验误差的角度考虑的。实验进行前，由于还没有进行实验，
热阻计算
热阻计算 一般，热阻公式中，Tcmax =Tj - P*Rjc的公式是在假设散热片足够大而且接触足够良好的情况下才成立的，否则还应该写成Tcmax =Tj - P*（Rjc+Rcs+Rsa)。Rjc表示芯片内部至外壳的热阻，Rcs表示外壳至散热片的热阻，Rsa表示散热片的热阻。没有散热片时，Tcmax =Tj - P*（Rjc+Rca)。Rca 表示外壳至空气的热阻。 一般使用条件用Tc =Tj - P*Rjc的公式近似。厂家规格书一般会给出，Rjc， P等参数。一般P是在25度时的功耗。当温度大于25度时，会有一个降额指标。 一、可以把半导体器件分为功率器件和小功率器件。 1、大功率器件的额定功率一般是指带散热器时的功率，散热器足够大时且散热良好时，可以认为其表面到环境之间的热阻为0，所以理想状态时壳温即等于环境温度。功率器件由于采用了特殊的工艺，所以其最高允许结温有的可以达到175度。但是为了保险起见，一律可以按150度来计算。适用公式：Tc =Tj - P*Rjc。设计时，Tj最大值为150，Rjc已知，假设环境温度也确定，根据壳温即等于环境温度，那么此时允许的P也就随之确定。 2、小功率半导体器件，比如小晶体管，IC，一般使用时是不带散热器的。所以这时就要考虑器件壳体到空气之间的热阻了。一般厂家规格书中会给出Rja，即结到环境之间的热阻。（Rja=Rjc+Rca)。 同样以三级管2N5551为例，其最大使用功率1.5W是在其壳温25度时取得的。假设此时环境温度恰好是25度，又要消耗1.5W的功率，还要保证结温也是25度，唯一的可能就是它得到足够良好的散热！但是一般像2N5551这样TO-92封装的三极管，是不可能带散热器使用的。所以此时，小功率半导体器件要用到的公式是： Tc =Tj - P*Rja Rja:结到环境之间的热阻。一般小功率半导体器件的厂家会在规格书中给出这个参数。 2N5551的Rja，厂家给的值是200度/W。已知其最高结温是150度，那么其壳温为25度时，允许的功耗可以把上述数据代入Tc =Tj - P*Rja 得到： 25=150-P*200,得到，P=0.625W。事实上，规格书中就是0.625W。因为2N5551不会加散热器使用，所以我们平常说的2N5551的功率是0.625W而不是1.5W！ 还有要注意，SOT-23封装的晶体管其额定功率和Rja数据，是在焊接到规定的焊盘（有一定的散热功能）上时测得的。
电子产品热设计
目录 摘要： (2) 第1章电子产品热设计概述： (2) 第1.1节电子产品热设计理论基础 (2) 1.1.1 热传导： (2) 1.1.2 热对流 (2) 1.1.3 热辐射 (2) 第1.2节热设计的基本要求 (3) 第1.3节热设计中术语的定义 (3) 第1.4节电子设备的热环境 (3) 第1.5节热设计的详细步骤 (4) 第2章电子产品热设计分析 (5) 第2.1节主要电子元器件热设计 (5) 2.1.1 电阻器 (5) 2.1.2 变压器 (5) 第2.2节模块的热设计 (5) 电子产品热设计实例一：IBM “芯片帽”芯片散热系统 (6) 第2.3节整机散热设计 (7) 第2.4节机壳的热设计 (8) 第2.5节冷却方式设计： (9) 2.5.1 自然冷却设计 (9) 2.5.2 强迫风冷设计 (9) 电子产品热设计实例二：大型计算机散热设计： (10) 第3章散热器的热设计 (10) 第3.1节散热器的选择与使用 (10) 第3.2节散热器选用原则 (11) 第3.3节散热器结构设计基本准则 (11) 电子产品热设计实例三：高亮度LED封装散热设计 (11) 第4章电子产品热设计存在的问题与分析： (15) 总结 (15) 参考文献 (15)
电子产品热设计 摘要： 电子产品工作时，其输出功率只占产品输入功率的一部分，其损失的功率都以热能形式散发出去，尤其是功耗较大的元器件，如：变压器、大功耗电阻等，实际上它们是一个热源，使产品的温度升高。因此，热设计是保证电子产品能安全可靠工作的重要条件之一，是制约产品小型化的关键问题。另外，电子产品的温度与环境温度有关，环境温度越高，电子产品的温度也越高。由于电子产品中的元器件都有一定的温度范围，如果超过其温度极限，就将引起产品工作状态的改变，缩短其使用寿命，甚至损坏，使电子产品无法稳定可靠地工作。 第1章电子产品热设计概述： 电子产品的热设计就是根据热力学的基本原理，采取各种散热手段，使产品的工作温度不超过其极限温度，保证电子产品在预定的环境条件下稳定可靠地工作。 第1.1节电子产品热设计理论基础 热力学第二定律指出：热量总是自发的、不可逆转的，从高温处传向低温处，即：只要有温差存在，热量就会自发地从高温物体传向低温物体，形成热交换。热交换有三种模式：传导、对流、辐射。它们可以单独出现，也可能两种或三种形式同时出现。 1.1.1 热传导： 气体导热是由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来完成。非导电固体中的导热通过晶格结构的振动实现的。液体中的导热机理主要靠弹性波的作用。 1.1.2 热对流 对流是指流体各部分之间发生相对位移时所引起的热量传递过程。对流仅发生在流体中，且必然伴随着有导热现象。流体流过某物体表面时所发生的热交换过程，称为对流换热。 由流体冷热各部分的密度不同所引起的对流称自然对流。若流体的运动由外力(泵、风机等)引起的，则称为强迫对流。 1.1.3 热辐射 物体以电磁波方式传递能量的过程称为热辐射。辐射能在真空中传递能量，且有能量方
接触热阻与接触导热填料
接触热阻与接触导热填料 任红艳 胡金刚 ( 北京空间飞行器总体设计部 北京 100086 ) 文 摘 在调研国内外接触热阻研究的基础上,介绍了关于接触热阻及接触导热填料的研究发展情况。对导热脂及油、金属、导热垫、RT V、镀层等导热填料的性能、应用情况作了简介,提供工程应用参考。 关键词 接触热阻,接触热导率,填料 Thermal C ontact Resistance and Thermal C onductive Filler Ren H ongyan Hu Jingang ( Beijing Institute of S pacecraft System Engineering Beijing 100086 ) Abstract On the basis investigation of thermal contact resistance developed in the w orld,the development on ther2 mal contact resistance and thermal conductive filler is briefly introduced.The properties and applications of s ome thermal conductive filler materials such as thermal conductive grease and oil,metal,gasket,RT V,coating etc.are presented here to provide reference to engineering use. K ey w ords Thermal contact resistance,Thermal contact conductive,Filler 1 引言 航天器在其飞行过程中要经历极为恶劣的热环境,其温度可从摄氏零下200多度变至数千度以上。因此,为保证航天器能正常工作,就需要对航天器内外各组件、仪器设备之间的导热过程进行控制,导热过程的控制是以分析和控制导热途径上的热阻为出发点,而影响实际导热过程的一个重要因素就是构件之间的接触热阻。 接触热阻是由于两接触面凹凸不平使得接触不完全而产生的热阻。接触热阻的大小与接触表面的材料、连接方式、表面状况及接触压力大小等多种因素有关。因此,接触热阻就很容易成为卫星热分析中的不确定因素,这种不确定性在极端情况下,甚至会影响卫星热设计的可靠性和卫星运行的可靠性。即使在一般情况下,接触热阻的存在也会增大热流途径上的温降。对航天器热控制来说,过大的接触热阻还可能使其它热控手段(比如热管)失效。 随着科学技术的发展,在工程实践和科学实验中,接触热阻问题愈来愈引起人们的注意。特别是随着空间技术的发展,卫星内大功率组件的热功耗越来越大,为使卫星内部的温度处于适宜的范围之内,就需要对接触热阻问题进行理论和实验研究,以对卫星内部导热过程进行有效的控制。 2 接触热阻的理论研究 2.1 接触热阻的点理论 如果把离散的局部接触面积称为点,接触热阻点理论的一般方法是:对单接触点接触热阻算法进行研究,再对接触点数目进行研究,从而完成对多接触点接触热阻的计算。对单接触点接触热阻的计算大多将接触点简化为圆台、圆柱及圆盘三种计算模型,这三种模型中,圆台计算模型较其它两种更接近实际情况,因它考虑了锥角θ的影响。 收稿日期:1999-03-22 任红艳,1972年出生,主要从事接触热阻方面的研究工作
热阻的实际应用
图1
公式（2）则是根据材料特征来计算热阻。利用公式（2），可以不用做实际的测量实验，利用各材料的导热系数和各组成材料的几何形状，就可以计算出热阻。这对做模拟计算是非常好的理论依据。同时，公式（2）更容易让人理解热阻产生的本质。 三、导热系数与热阻的应用问题 采用热阻的概念，只能是两个系统保持不变的情况下来分析、比较系统的热状态。两个系统若有改变，比较的结果可能完全相反。 比如，两种不带铝基板的1W白光LED，见图2和图3，它们的结构尺寸见图4和图5，根据铜底座尺寸，按照公式（2）计算，图3产品的中心轴向热阻应是图2产品的1.54倍。可在实际使用中，图3的芯片温度要低。怎么会这样？因为，它的底板下部的面积大，便于热流横向扩展。上面的计算没有考虑热流横向扩展！它们实际应用时，还必须要加散热器，见图5。通常散热器是铝合金材料，导热系数远小于纯铜材料。图2的LED接触面小，热量在往散热器上传导时，横向的热阻就大了；而图3的产品由于铜底座面积大，热量便于横向散开传导到散热器上，使得热流密度减小，将热量更有效地传导到散热器的外部翅片上。所以，虽然图3的结构纵向路径长了，但由于有了好的横向路径，其实热阻反倒小了。 再比如，两个材料、工艺相同制成的散热器，A表面积比B表面积大一倍，似乎A的热阻比B小，A要好。可是，给B配上风扇，B的热阻就会小于A。事实上是B和风扇形成了系统，是这个系统比A好。并不是A比B的热阻小而最终在使用上A比B系统好。A和B的比较就没有意义，因为B不是单独使用。 这个例子是有实际应用意义的。在设计产品的散热器结构时，我们可能采用两种方案：只用散热器自然散热和散热器加风扇散热。在采用风扇散热时，可以选取一个较小的散热器，其与风扇组合的散热效果可能远优于只采用一个较大的散热器的效果。虽然小散热器的热阻大于大散热器的热阻，但在两个系统中，我们也不能单以两个散热器的热阻大小来说好坏。 在系统构成后，不用热阻的概念，通过温度值就可以知道导热效果的差异。这里“系统的构成后”是指相比较的系统的结构确定，热源确定。可以测试相关点的温度就知道结果。没有必要已经知道了相关点的温度后再去算出个热阻来。通过相关点的温度值已经很明确了哪个好，哪个不好。如果说不是测试，而是要通过模拟计算得到结果的话，在模拟计算中，也是通过导热系数和结构参数，先算出相关点的温度。计算得到了各点的温度，导热好坏也就明了了。也可以不需要再多算一步来算出热阻值。 对于热系统间的比较，仅仅知道各系统的热阻值，也无法比较哪个好坏。 举例说明。两个不同LED灯具，采用相同型号、规格和数量的LED，它们的芯片PN结到灯具最外端的热阻不同。可是这两个灯具设计的芯片工作电流是不同的。一个灯具的工作电流比另一个要小的多，即使这个灯具的热阻大些，它的芯片温度还是要低，它的寿命相对就要好。所以，给出热阻值而不同时了解其它相关条件，单从热阻值来比较这两个灯具，是没有意义的。而若给出灯具在正常工作条件下的温度值，则可以很好低判定它们的热状况好坏了，由此才可以推断哪个灯具的可靠性和寿命会好。
LFA447 接触热阻计算
LFA447接触热阻计算方法 一、概述 对于LFA双层复合材料的测试，若上下两层的厚度、密度、比热与热扩散系数均为已知，可以直接计算得到两层之间的接触热阻（contact resistance）。 二、测量 在LFA447测量软件中，使用双层模式对样品进行设定： Layer列表中包含样品上（面向红外检测器）、下（面向激光源）两层的属性定义，其中厚度与密度两项需输入准确数值，比热与热扩散系数因均随温度而变，对于多温度点测试此处可暂写为1，留待分析软件中另作链接设定。由于测量软件中限定双层模式测量必须包含一
个已知层和一个未知层，此处可将任意一层作为未知层（diffusivity留空）处理。 随后编辑温度程序，设定amplifier、duration等参数并进行测试： 三、分析计算 1.在LFA数据库中导入测量得到的LFA447数据文件。在出现的材料设定对话框中对各层材料的比热与热扩散系数进行链接设定。对于接触热阻的计算，需要上下两层的热扩散系数均为已知（均需链接相应的热扩散系数表）。若测试温度较高，因样品膨胀而导致的厚度与密度变化不可忽略，则还需链接线膨胀系数表。
2.将导入的数据载入分析界面，当出现提示进行多层模式计算的对话框时可跳过不计算（点击“否”。此处的计算为根据已知层来计算未知层的热扩散系数，因现在两层事实上均为已知，实验目的是为了得到两层之间的接触热阻，再做“未知层”的计算并无意义）： 3.点击“测量”-->“计算接触热阻” 在出现的对话框中选择基线类型（推荐“线性”，具体请参考“LFA数据分析向导”），“强制重新计算”选不选都没关系，随后点击“确定”：
开关电源热阻计算方法及热管理
开关电源热阻计算方法及热管理 、引言 我们设计的DC-DC电源一般包含电容、电感、肖特基、电阻、芯片等元器件；电源产品的转换效率不可能做到百分百，必定会有损耗，这些损耗会以温升的形式呈现在我们面前，电源系统会因热设计不良而造成寿命加速衰减。所以热设计是系统可靠性设计环节中尤为重要的一面。但是热设计也是十分困难的事情，涉及到的因素太多，比如电路板的尺寸和是否有空气流动。 我们在查看IC产品规格书时，经常会看到R JA、T J、T STG T LEAD等名词；首先R JA是指芯 片热阻，即每损耗1W时对应的芯片结点温升，T J是指芯片的结温，T STG是指芯片的存储温 度范围，T LEAD是指芯片的加工温度。 、术语解释 首先了解一下与温度有关的术语：T J、T A、T C、T T。由“图1 ”可以看出，T J是指芯片 内部的结点温度，T A是指芯片所处的环境温度，T C是指芯片背部焊盘或者是底部外壳温度，T T是指芯片的表面温度。 数据表中常见的表征热性能的参数是热阻R A,R A定义为芯片的结点到周围环境的热阻。 其中T J = T A +（R A *P D） 励国空弐遏度Rji T T R M 图1.简化热阻模型 对于芯片所产生的热量，主要有两条散热路径。第一条路径是从芯片的结点到芯片顶部塑封体（R JT），通过对流/辐射（R TA）到周围空气；第二条路径是从芯片的结点到背部焊盘（R JC），通过对流/辐射（R CA）传导至PCB板表面和周围空气。 对于没有散热焊盘的芯片，RC是指结点到塑封体顶部的热阻；因为R JC代表从芯片内的结点到外界的最低热阻路径。 三、典型热阻值 表1典型热阻
地埋管热阻计算方法
垂直单U 型埋管内流体至井壁总热阻 在忽略轴向导热的条件下，如图3.14所示： 图3.14 垂直单U 管井水平截面图 如果U 型管的两根支管单位长度的热流分别为q 1与q 2，两支管内流体温度分别为T f 1与T f 2，根据线性叠加原理，所讨论的稳态温度场应该是这两个热流作用产生的过余温度场的叠加。如果取钻孔壁的平均温度T b 为过余温度的零点，则有 111122f b T T R q R q -=+ 212122 f b T T R q R q -=+ 其中：R 1和R 2分别为两支管内流体至井壁间的热阻，而R 12是两根管子之间的热阻。对于实际工程，钻孔中的U 型埋管在结构上通常可以假设是对称的，因此有R 1=R 2，又由于没有考虑两支管内流体沿深度方向的变化，无法分析T f 1和T f 2及q 1和q 2的区别，因此只能作进一步的简化假设：T f 1=T f 2= T f ，q 1=q 2=q l /2，以减少未知量的个数，其中T f 为埋管内流体的平均温度，q l 为单位长度U 型埋管总的传热量。根据文献[6]推导公式得： 21222212221ln ln 21ln ln 21 1 ln 2b b s b p b o b s b b b s b b b s b o p p i i d d R R R d d D d d R D d D d R d d h λλπλλλλλπλλλπλπ??????-==+?+?? ? ?+-??????????-??=+??? ? ?++????????= ?+ ??? 则埋管内流体至井壁总热阻为：
444 0.80.4 1111ln ln ln ln 2220.023Re Pr Re b b b s b o b b o b s b p i i fluid i i d d d d R d D d D d d h Nu h d Nu v d λλπλλλπλπλν ??????????-????=++?+?+? ??? ? ? ? ?+-?????????????? ?= =?= 公式适用于埋管内流体处于紊流状态，即Re>2200，其中： s λ——土壤导热系数，W/(m ·℃)； b λ——回填土导热系数，W/(m ·℃)； p λ——埋管导热系数，W/(m ·℃)； fluid λ——埋管内水导热系数，W/(m ·℃)； b R ——钻孔内热阻，(m ·℃)/W ； o d 、o r ——埋管的外直、半径，m ； i d 、i r ——埋管的内直、半径，m ； b d 、b r ——钻井的直、半径，m ； D ——埋管管间距，m ； h ——埋管内水的对流换热系数，W/(m 2·℃)； Nu ——努塞尔数； Re ——雷诺数； Pr ——普朗特数，其值为/fluid fluid να； v ——埋管内水流速（分子），m/s ； ν——水的运动粘性系数（分母），m 2/s ； （3）垂直双U 型埋管内流体至井壁总热阻 传热分析同垂直单U ，取钻孔孔壁的平均温度为过余温度的零点[6]，则有 111122133144 f b T T R q R q R q R q -=+++
电子产品热设计方案规范
电子产品热设计规范 1概述 1.1 热设计的目的 采用适当可靠的方法控制产品内部所有电子元器件的温度，使其在所处的工作环境条件下不超过稳定运行要求的最高温度，以保证产品正常运行的安全性，长期运行的可靠性。 1.2 热设计的基本问题 1.2.1 耗散的热量决定了温升，因此也决定了任一给定结构的温度； 1.2.2 热量以导热、对流及辐射传递出去，每种形式传递的热量与其热阻成反比； 1.2.3 热量、热阻和温度是热设计中的重要参数； 1.2.4 所有的冷却系统应是最简单又最经济的，并适合于特定的电气和机械、环境条件，同时满足可靠性要求； 1.2.5 热设计应与电气设计、结构设计、可靠性设计同时进行，当出现矛盾时，应进行权衡分析，折衷解决； 1.2.6 热设计中允许有较大的误差； 1.2.7 热设计应考虑的因素：包括 结构与尺寸 功耗 产品的经济性
与所要求的元器件的失效率相应的温度极限 电路布局 工作环境 1.3 遵循的原则 1.3.1热设计应与电气设计、结构设计同时进行，使热设计、结构设计、电气设计相互兼顾; 1.3.2 热设计应遵循相应的国际、国内标准、行业标准; 1.3.3 热设计应满足产品的可靠性要求，以保证设备内的元器件均能在设定的热环境中长期正常工作。 1.3.4 每个元器件的参数选择及安装位置及方式必须符合散热要求； 1.3.5 在规定的使用期限内，冷却系统(如风扇等)的故障率应比元件的故障率低； 1.3.6 在进行热设计时，应考虑相应的设计余量，以避免使用过程中因工况发生变化而引起的热耗散及流动阻力的增加。 1.3.7 热设计不能盲目加大散热余量，尽量使用自然对流或低转速风扇等可靠性高的冷却方式。使用风扇冷却时，要保证噪音指标符合标准要求。 1.3.8 热设计应考虑产品的经济性指标，在保证散热的前提下使其结构简单、可靠且体积最小、成本最低。 1.3.9 冷却系统要便于监控与维护 2热设计基础
围护结构热阻及保温计算
导热系数、传热系数（热阻值R、导热系数λ、修正系数、厚度---节能计算）概念及热工计算方法 导热系数： 导热系数是指在稳定传热条件下，1m厚的材料，两侧表面的温差为1度(K,℃),在1小时内，通过1平方米面积传递的热量，单位为瓦/米?度(W/m?K,此处的K可用℃代替)。 传热系数： 传热系数以往称总传热系数。国家现行标准规范统一定名为传热系数。传热系数K值，是指在稳定传热条件下，围护结构两侧空气温差为1度(K，℃)，1小时内通过1平方米面积传递的热量，单位是瓦/平方米?度(W/㎡?K，此处K可用℃代替)。 （节能）热工计算： 1、围护结构热阻的计算 单层结构热阻： R=δ/λ 式中：δ—材料层厚度(m) λ—材料导热系数[W/(m.k)] 多层结构热阻： R=R1+R2+----Rn=δ1/λ1+δ2/λ2+----+δn/λn 式中: R1、R2、---Rn—各层材料热阻(m.k/w) δ1、δ2、---δn—各层材料厚度(m) λ1、λ2、---λn—各层材料导热系数[W/(m.k)] 2、围护结构的传热阻 R0=Ri+R+Re 式中: Ri —内表面换热阻(m.k/w)(一般取0.11) Re —外表面换热阻(m.k/w)(一般取0.04) R —围护结构热阻(m.k/w) 3、围护结构传热系数计算 K=1/ R0 式中: R0—围护结构传热阻 外墙受周边热桥影响条件下，其平均传热系数的计算 Km=(KpFp+Kb1Fb1+Kb2Fb2+ Kb3Fb3 )/( Fp + Fb1+Fb2+Fb3) 式中: Km—外墙的平均传热系数[W/(m.k)] Kp—外墙主体部位传热系数[W/(m.k)] Kb1、Kb2、Kb3—外墙周边热桥部位的传热系数[W/(m.k)] Fp—外墙主体部位的面积 Fb1、Fb2、Fb3—外墙周边热桥部位的面积 4、单一材料热工计算运算式 ①厚度δ(m) = 热阻值R(m.k/w) * 导热系数λ[W/(m.k)] ②热阻值R(m.k/w) = 1 / 传热系数K [W/(㎡?K)] ③厚度δ(m) = 导热系数λ[W/(m.k)] / 传热系数K [W/(㎡?K)]
LED结温热阻计算方法详解
LED结温热阻计算方法详解. Ta: 环境温度Rsa：铝基散热装置的热阻、散热器与环境间的热阻 Ts: 散热装置的温度. Rms：铝基板到铝散热装置的热阻 Tm: 铝基板的温度. Rcm：引脚到铝基板的热阻 Tc: 引脚的温度. Rjc：PN结到引脚的热阻、结壳间的热阻 Rja：PN结点到环境的热阻 Tj：晶体管的结温、芯片PN结最大能承受之温度( 100-130℃) P表示功耗 Rcs表示晶体管外壳与散热器间的热阻， L50: LED光源亮度降至50%的寿命 L70: LED光源亮度降至70%的寿命 结温计算的过程： 1.热阻与温度、功耗之间的关系为： Ta=Tj-*P(Rjc+Rcs+Rsa)=Tj-P*Rja， 2.当功率晶体管的散热片足够大而且接触足够良好时，壳温Tc=Ta 晶体管外壳与环境间的热阻Rca=Rcs+Rsa=0。此时Ta=Tj-*P(Rjc+Rcs+Rsa)演化成公式 Ta=Tc=Tj-P*Rjc。厂家规格书一般会给出，最大允许功耗Pcm、Rjc及(或) Rja等参数。一般Pcm 是指在Tc=25℃或Ta=25℃时的最大允许功耗。当使用温度大于25℃时，会有一个降额指标。 3.以ON公司的为例三级管2N5551举个实例： 1)2N5551规格书中给出壳温Tc=25℃时的最大允许功耗是1.5W，Rjc是83.3度/W。 2)代入公式Tc=Tj- P*Rjc有：25=Tj-1.5*83.3可以从中推出最大允许结温Tj为150度。一 般芯片最大允许结温是确定的。所以，2N5551的允许壳温与允许功耗之间的关系为： Tc=150-P*83.3。 3)比如，假设管子的功耗为1W，那么，允许的壳温Tc=150-1*83.3=66.7度。 4)注意，此管子Tc =25℃时的最大允许功耗是1.5W，如果壳温高于25℃,功率就要降额使用。 规格书中给出的降额为12mW/度(0.012W/度）。 5)我们可以用公式来验证这个结论。假设壳温为Tc，那么，功率降额为0.012*(Tc-25)。则此 时最大总功耗为1.5-0.012*(Tc-25)。把此时的条件代入公式Tc=Tj- P*Rjc得出： Tc=150-(1.5-0.012*(Tc-25))*83.3，公式成立。 4.一般情况下没办法测Tj，可以经过测Tc的方法来估算Tj。公式变为： Tj=Tc+P*Rjc