散热设计

散热设计SECTION 1: 大功率器件的散热设计电子技术不断发展,大功率器件发热功耗越来越大、热流密度不断增加。

产品散热设计对产品可靠性有着至关重要影响。

要对大功率器件进行良好散热设计,首先要了解功率器件热性能指标,然后选择合适散热方式,正确风道设计以及对散热器进行必要优化分析，最后规范、正确安装散热器使器件达到最佳散热效果。

1、器件热性能参数器件厂家会提供器件焊接温度、封装形式、工作温度范围、器件结点温度限制、内部热阻等信息，这是参数是进行散热设计基础和前提。

下面对一些常用热参数逐一说明：TDP—器件热耗散功耗，单位W（瓦），表示器件实际发热量大小Tc--器件壳体温度，单位℃Tj--结点温度，单位℃。

结点温度提高，半导体器件性能将会下降。

结点温度超过最大限制，器件寿命极度下降烧毁。

这是进行热设计关注焦点。

Ta--环境温度，单位℃Rja--结点到环境热阻，单位℃/WRjc--结点到器件壳热阻，单位℃/W归根到底，热设计主要任务是要满足： Tj< Tj(max)并留有适当余量（通常要保证有10%以上余量）。

Tj(max)=P* Rjc+ Tc(max)Tc(max)即器件表面最高温度，很显然散热设计越成功，Tc(max)就会越低。

2、散热方式选择系统散热方式选择应充分考虑系统发热功耗，温度/体积/重量要求，防护等级，散热装置可操作性，价格等诸多因素，最终选择最适合自己产品、有效散热方式。

散热主要分为：自然散热、强迫风冷。

液体冷却等。

目前普遍采用散热方式仍然是风冷。

下表反映了不同散热方式状况下热流密度与温升关系。

自然散热：空气自然对流将热量带到周围空间。

这种散热方式可以用发热功率不大，重量，温度等要求不高场合。

优点：结构简单、无噪音、价格低廉。

强迫风冷：发热功耗大器件，选用强迫风冷是很必要，尤其配合一些高效能散热器可以达到理想散热效果。

强迫风冷换热效率高，一般是自然散热方式数倍。

优点：散热效率高，产品重量可被大幅度降低。

3、风机选型以及风道设计系统采用强迫风冷散热方式，选择合适散热风机直接决定了系统散热状况。

要进行风机选型，首先需要确定系统所需要散热风量，下面公式计算：其中∆T表示了系统进/出风口温度差。

风机选型要结合系统风量需求、系统阻力、风扇特性曲线等要求进行综合评估确认。

强迫风冷系统风道实际很关键，风道一般分为送风和抽风两种方式，这两种方式优缺点分别是：送风方式：A、风扇出口附近气流主要为紊流流动，局部换热强烈，宜用于发热器件比较集中情况，此时必须将风扇主要出风口对准集中发热元件B、吹风时将设备内形成正压，可止缝隙中灰尘进入设备C、风扇将不会受到系统散热量影响，工作较低空气温度下，风扇寿命较长抽风方式：A、送风均匀，适用于发热器件分布比较均匀，风道比较复杂情况B、进入风扇流动主要为层流状态C、风扇将出风口高温气流下工作，寿命会受影响D、系统内形成负压，缝隙中灰尘将进入机柜/箱4、散热器优化大功率器件散热器优化主对散热器基板厚度、齿片厚度，间距，高度，表面处理方式等参数进行优化设计。

计算机仿真技术不断进步，我们可以依托电子热仿真分析软件对散热器进行优化，优化结果准确、直观。

5、正确安装正确合理安装可以保障散热产品良好发挥其作用，提升产品整体可靠性。

我们知道：散热产品安装过程中主要保证器件与散热器有着良好、充分表面接触----使器件与散热器之间接触热阻尽可能低。

影响接触热阻主要因素有以下几方面原因1、接触面平面度2、散热产品与热源接触压力3、热界面材料选用和涂抹正确涂抹界面材料建议使用专用治具，可以参考下面图片，保证热界面材料均匀，通常厚度需要控制0.12—0.18mm之间。

SECTION 2:散热设计基础一、热交换基本定律及计算(一)热交换基本定律(二)由热力学第二定律可知，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。

就大多数电源的散热问题而言，传导和对流是主要的散热模式。

但实际上在任何一个热分析问题中，三种模式都不同程度地存在着，下面就这三种热交换模式进行分析。

1．传导传导是指热量通过直接接触的物体从高温端传向低温端。

它是功率半导体器件的结到壳和外壳到散热器的最有效途径。

在纯传导中，热与温度的关系式为2．对流对流是指由于发热体周围的热空气密度比其附近的冷空气密度低，因此热空气和冷空气之间自然会形成对流。

对流实质上是利用流动的气体或液体流过热导体表面将热量带走。

对流符合牛顿热定理，即3．辐射辐射是由于导热体和邻近物质或空间之间存在温度差，所以导热体就会以电磁波的形式向外发送热量。

散热器的表面温度越高，表面越粗糙，表面发黑率越高，散热器辐射能量的能力就越强。

因此多数散热器都经过氧化发黑处理，就是为了要增大热辐射的能力。

在传导和对流中，热传递是通过固体或液体进行的，而辐射热传递不需要任何物质作为媒介。

热辐射是由于自身的温度而引起的电磁辐射。

辐射热传递与其本体的绝对温度成比例关系。

对于辐射热传递，有斯蒂芬一波尔兹曼定律存在。

即由此式可以看出，辐射热量与绝对温度之间为非线性关系。

这是与传导和对流不同的第一点。

第二点不同还在于辐射的热量主要取决于分布在周围的各种物体的表面温度，而不像对流那样取决于周围的流动空气的温度。

由上述公式可以得出下列有助于辐射的措施：1)发热物体表面越粗糙，热辐射能力也越强。

一般应将发热元器件外的屏蔽罩壳涂上色漆，散热片表面涂黑色或有色粗糙的漆；对热敏感的元器件，其表面常做成光亮白色的，以减少吸收辐射热。

2)加大辐射体与周围环境的温差。

3)加大辐射体的表面面积。

这三种传热方式往往同时存在，热传输是多维的。

在具体条件下可忽略次要因素，进行简化计算。

例如，半导体芯片到外壳的热传输主要是传导，对流和辐射与传导相比可忽略不计，又如在高空条件下，对流处于次要地位，主要是传导和辐射散热，等等。

(二)热路1．电热模拟及其应用模拟的方法有助于把一些抽象的对象变得比较直观，所谓电热模拟就是用导电回路来模拟电子器件的散热回路。

用电参数来模拟热量的传递。

具体地讲，即用电路中的电流来模拟热路中的热量Q(在计算中，常用半导体器件的耗散功率PD来代替热量Q)，用电流的流动来表示热流的传递。

电压V相当于温差△T，电阻R相当于热阻Rth。

就辐射而言，因为这是一个非线性的热交换模式，因此不能推导出类似于传导和对流的热阻公式来。

热阻是一个非常有用的概念。

散热器通常就是用热阻来表示其性能的。

功率半导体器件的热参数也是根据结到壳的热阻来标注的。

2．热路与温度计算图10—1为半导体器件安装在散热器上的示意图，由图可见，芯片是焊接在外壳的底座上的。

芯片上的功耗产生的热能通过传导由芯片传到外壳的底座，再由外壳将少量的热能以对流和辐射的形式传到环境中去，而大部分热量通过底座经绝缘垫片直接传到散热器，最后由散热器传到空气中去。

由此可见，热传递过程是很复杂的，要进行精确的计算是很困难的。

在工程上，如允许误差在5～10℃范围内，就算足够精确了。

为此，根据热电相似原理引入热路的概念。

因为热路中有热容存在，所以在瞬态时，热阻是时间的函数，稳态时，热阻Rth与时间无关。

(三)计算举例例1：有4个功率晶体管安装于同一个散热器上，每个晶体管平均损耗为8w，晶体管管壳为F一2型，Rjc为0．55℃／W；壳到散热器间云母绝缘垫片的热阻尺。

为0．7℃／W，散热器的热阻Rsa=2．5℃／W；环境温度为70℃。

求结温Ti。

解：根据题意作出等效热路如图10—3所示。

由等效热路可以求得一个晶体管的结温二、热设计步骤SECTION 3: 两种散热方式设计原理及计算一、自冷式热设计原理及计算在自然对流和辐射情况下，平板散热器垂直安装，型材散热器沟道应该是垂直的。

叶片的表面应该涂漆或处理以使其有良好的辐射率，例如铝应该进行氧化处理。

至于强制对流下的散热器，其放置方向并没有硬性的规定，当然仍然是要使冷却空气能通过散热器叶片之间的沟道自由流动为原则。

(一)自冷式热设计公式由于散热器装上后会使热阻大大减小，而热量总是趋向于向热阻最小的方向流动，因此当电源模块装上散热器后，可以认为，电源模块产生的热量基本上都是通过散热器而散发出去的。

只有很少(小于10％)的热量是从电源模块的外壳底板与侧面壁通过热交换而散发出去的。

由前面几节的公式我们能求出电源模块所消耗的热量Pd及模块外壳与周围流体(空气)的温差△T。

这样散热器所需要的热阻Rth为下面的任务就是查散热器的产品目录或手册，从中找出与电源模块基板尺寸相当的、在合适环境温度及自然对流与辐射下的热阻值小于Rth的散热器即可。

(二)常用散热器热阻常用的散热器有平板散热器、型材散热器和叉指形散热器等。

又指形散热器由于散热叉指之问的“烟囱效应”利于热对流，所以在相同热阻下，叉指形散热器比其他散热器体积小、重量轻。

国产的叉指形散热器型号为SRZ系列。

国产的型材散热器型号为XC系列、DXC系列、XSF系列等。

表10—3和表10—4分别为国产型材散热器和国产叉指形散热器的型号及其对应的热阻阻值表。

从表10—3和表10—4可见，散热器到环境的热阻随加到散热器上的耗散功率Pd值的增大而略有下降。

这是因为当加于散热器上的耗散功率Pd增大时，散热器上的温升△T 也随之增大。

散热器和环境之间的温差一旦增大，散热器的辐射散热和对流散热的散热能力增强，所以其热阻呈现略有下降的趋势。

如手头一时无型材散热器、叉指形散热器而准备采用铝平板作为散热器时，可查图10—5、图10—6散热器的热阻曲线图，从中选择符合要求的铝平板散热器的尺寸。

(三)自冷散热设计注意事项1) 从散热效果看，散热板制成正方形或圆盘形比较理想。

若受加工条件或安装位置的限制而必须制成长方形时，长、宽之比不得超过2：1。

2) 散热板与器件相接触的表面应保持光洁、平直(接触面上的凸凹距离小于0．05m m)，没有翘曲和锈蚀。

散热板要紧固在器件上，保证两者紧密贴合。

器件尽量安装在散热板的对称中心处。

散热板应垂直放置，平放会影响散热效果。

为改善散热条件，最好在接触面上涂一层导热硅脂。

3) 假如要求散热板与器件的金属壳保持绝缘，需在两者之间加一层云母衬垫，并在固定螺钉与器件金属表面之间加上绝缘垫圈和绝缘套筒。

加0．05mm厚的云母衬垫之后，R os约为1．8℃=／W。

此外，还可选聚酯薄膜、氮化硼瓷片等绝缘衬垫。

4) 散热板应尽量远离电源变压器、大功率晶体管等热源。

为提高散热效率，通常把散热板表面处理成黑色。

5) 以上是从热传导的角度来设计散热板的，鉴于集成电源工作时管壳温度低于10 0℃，因此不必考虑热辐射问题。

二、风冷式热设计原理及计算在许多应用系统中，即使是加装了散热器，也不能保证电源系统工作在规定的温度之下。