电子产品热设计
电子行业电子设备热设计第三讲
电子行业电子设备热设计第三讲一、概述在电子行业中，电子设备的热设计是非常关键的一项工作。
合理的热设计可以保证电子设备的稳定性和可靠性，同时也可以提高电子设备的性能和寿命。
本文将对电子行业电子设备热设计的一些基本概念和方法进行介绍，帮助读者更好地理解和应用热设计在电子设备中的作用。
二、热设计的重要性在电子设备中，由于电子器件的工作过程中会产生大量的热量，如果不能及时有效地将热量散发出去，就会导致电子设备的温度升高，进而影响设备的性能和寿命。
因此，热设计成为了电子设备设计中不可忽视的一个重要环节。
在电子设备热设计中，常用的指标包括温度上限、温度梯度和温度均匀性等。
温度上限表示设备能够承受的最高温度，一旦超过该温度，设备就有可能出现损坏或者失效的情况。
温度梯度表示设备内部不同位置的温度差异，过大的温度梯度可能导致部分电子器件工作不稳定。
温度均匀性表示设备内部不同部分的温度分布是否均匀，均匀的温度分布可以提高设备的可靠性和寿命。
三、热设计的基本原理1. 热传导热传导是热设计中最基本的过程，它描述了热量从高温区域传递到低温区域的过程。
在电子设备中，热传导通常是通过导热材料的传导实现的，如铜、铝等具有良好导热性能的材料。
通过合理选择导热材料，可以提高电子设备的散热效果，减少设备的温度上升。
2. 热对流除了热传导外，热对流也是电子设备热设计中常用的散热方式之一。
热对流是指热量通过流体的对流传送，如空气、水等。
在电子设备中，通常通过风扇或者散热片等装置来增加空气流动，加速热量的传输。
合理布置散热片和风扇，可以有效地提高电子设备的散热效果，降低设备的工作温度。
3. 热辐射除了热传导和热对流外，热辐射也是电子设备热设计中需要考虑的因素之一。
热辐射是指热量以电磁波的形式传播，不需要依靠介质传递。
在电子设备中，一些高温的零部件，如芯片和电阻等，会通过热辐射的方式散热。
通过合理设计设备结构和热辐射面积，可以提高设备的散热效果，降低设备的温度。
电子产品的热设计
面积 、 短热传导的路径 ， 缩 在传 导 路 径 中不 应有 绝
热 或 隔热 元 件 、 用 导热 数 大 的材 料 制造 传 导 零 选
件 ： 流 是 固体 表 面 与 流 体 表 面 的热 流 动 ， 自然 对 有 对 流 和强 迫 对 流 之分 ． 电子产 品 中流 体通 常 是 指 在
部 温 升 降低 到所 要 求 的 范 围 ， 以保 证 产 品性 能 稳
定 ， 缓 产 品 零部 件 氧 化 、 减 老化 、 劳 或磨 损 ， 高 疲 提
产 品 的平 均无 故 障 工作 时 间 ， 而延 长 产 品 的使 用 从 寿命
２ 热 设 计 的 原 则
２１ 热传递 的方式 ．
温度 。
加 宽 印制 线 ， 以增 强元 器 件 引线 腿 对 印制 线 的热 传 导 和 增强 导 电性 ，必要 时可 以采 取 增 加 散热 器 、 在 元 器 件 与 散 热 材 料 间涂 抹 导 热 膏 等措 施 以增 加 元
器 件发 热量 的传 导散 热 。
元 器 件 的合 理 布 局 是 印 制 板 热 设 计 的重 要 内 容 ， 根 据 产 品 中各 热 源 的 发 热 情 况 ， 理 安 排 元 即 合 器 件 的位 置 ， 止元 器 件 热量 的积 蓄 以及 元 器件 之 防 间 的热 影 响 ， 以确保 元 器 件始 终 工 作在 允 许 的 工作 温 度 范 围 内。考 虑 到元 器 件 工作 的 发 热情 况 ， 元 在 器 件 布 局 上 一 般 将 热 敏 感 的元 器 件 置 于 温 度 最 低 的区域 ， 即对 于 自由 对 流 冷却 产 品 ， 敏 感 元 器 件 热 以能 够 放 在 底 部 ，而 其 它 元 器 件 放 置 在 它 们 的上 面 ， 对 于冷 壁 冷却 电路插 件 则 应将 热 敏 感 元器 件 而 靠 近插件 的边 缘 。此 外 ， 可能 设法 将 发热 元器 件 尽 沿 着冷 壁 均匀 散 开 ， 不要 使 热 敏元 器 件 与 发 热元 器
电子行业电子设备热设计基础
电子行业电子设备热设计基础引言在电子行业中，电子设备的热设计是非常重要的。
随着电子设备的不断发展，其功能越来越强大，性能越来越高，工作时产生的热量也越来越大。
如果电子设备的热量不能有效地散出去，会导致设备过热，影响设备的性能甚至损坏设备。
因此，合理的热设计对于电子设备的可靠性和稳定性至关重要。
本文将介绍电子行业电子设备热设计的基础知识，包括热传导、热辐射、热对流等方面的内容，帮助读者了解电子设备热设计的重要性并掌握一些基本的设计原则和方法。
热传导热传导是指热能通过物质的传导方式传递的过程。
在电子设备中，常见的热传导方式有三种：导热、对流和辐射。
导热导热是通过物质内部的分子或电子的碰撞传递热能的过程。
导热的速度和效率取决于物质的热导率和传热面的接触情况。
为了提高导热效率，我们可以采用导热材料，如铜、铝等，作为散热板或散热片，将其与电子元件紧密接触以增大接触面积。
对流对流是指热量通过流体（如空气）的对流传递的过程。
当电子设备工作时产生的热量无法直接通过导热方式散出去时，就需要依靠对流来进行热散热。
在设计电子设备时，我们需要合理设置散热孔和散热风扇等设备，以增加热量与周围空气的接触面积，提高对流散热效率。
辐射辐射是指热能以电磁辐射的形式传递的过程。
热辐射是无需传递介质的热传递方式，在电子设备中发挥重要作用。
通过合理设置散热片、散热器等辐射表面，可以增大辐射能量的发射和吸收。
此外，还可以利用红外线热成像等技术来监测电子设备中的热辐射情况，及时发现问题并采取相应的措施。
设计原则和方法在进行电子设备热设计时，需要遵循一些基本的设计原则和方法，以确保设备的稳定运行和长寿命。
合理布局在电子设备的布局设计中，需要考虑到热量的产生和散热的位置。
将产热元件和散热结构合理布置，减少热量在设备内部的积聚，有利于热量的迅速散出，提高散热效率。
优化散热结构为了提高散热效果，可以采用散热片、散热器等散热结构来增大热量与周围环境的接触面积。
电子产品设计之热设计
电子产品设计之热设计散热器的设计方法散热器设计的步骤通常散热器的设计分为三步1:根据相关约束条件设计处轮廓图.2:根据散热器的相关设计准则对散热器齿厚、齿的形状、齿间距、基板厚度进行优化. 3:进行校核计算.散热器的设计方法自然冷却散热器的设计方法考虑到自然冷却时温度边界层较厚,如果齿间距太小,两个齿的热边界层易交叉,影响齿表面的对流,所以一般情况下,建议自然冷却的散热器齿间距大于12mm,如果散热器齿高低于10mm,可按齿间距≥1.2倍齿高来确定散热器的齿间距.自然冷却散热器表面的换热能力较弱,在散热齿表面增加波纹不会对自然对流效果产生太大的影响,所以建议散热齿表面不加波纹齿.自然对流的散热器表面一般采用发黑处理,以增大散热表面的辐射系数,强化辐射换热.由于自然对流达到热平衡的时间较长,所以自然对流散热器的基板及齿厚应足够,以抗击瞬时热负荷的冲击,建议大于5mm以上.散热器的设计方法强迫冷却散热器的设计方法在散热器表面加波纹齿,波纹齿的深度一般应小于0.5mm.增加散热器的齿片数.目前国际上先进的挤压设备及工艺已能够达到23的高宽比,国内目前高宽比最大只能达到8.对能够提供足够的集中风冷的场合,建议采用低温真空钎焊成型的冷板,其齿间距最小可到2mm.采用针状齿的设计方式,增加流体的扰动,提高散热齿间的对流换热系数.当风速大于1m/s(200CFM)时,可完全忽略浮升力对表面换热的影响.散热器的设计方法在一定冷却条件下,所需散热器的体积热阻大小的选取方法在一定的冷却体积及流向长度下,确定散热器齿片最佳间距的大小的方法不同形状、不同的成型方法的散热器的传热效率比较散热器的相似准则数及其应用方法相似准则数的定义散热器的相似准则数及其应用方法相似准则数的应用散热器的基板的优化方法不同风速下散热器齿间距选择方法不同风速下散热器齿间距选择方法优化散热器齿间距的经验公式及评估风速变化对热阻的影响的经验公式辐射换热的考虑原则如果物体表面的温度低于50℃,可忽略颜色对辐射换热的影响.因为此时辐射波长相当长,处于不可见的红外区.而在红外区,一个良好的发射体也是一个良好的吸收体,发射率和吸收率与物体表面的颜色无关.对于强迫风冷,由于散热表面的平均温度较低,一般可忽略辐射换热的贡献.如果物体表面的温度低于50℃,可不考虑辐射换热的影响.辐射换热面积计算时,如表面积不规则,应采用投影面积.即沿表面各部分绷紧绳子求得的就是这一投影面积,如图所示.辐射传热要求辐射表面必须彼此可见.热设计的计算方法冷却方式的选择方法确定冷却方法的原则在所有的冷却方法中应优先考虑自然冷却,只有在自然冷却无法满足散热要求时,才考虑其它冷却.冷却方式的选择方法1:根据温升在40℃条件下各种冷却方式的热流密度或体积功率密度值的范围来确定冷却方式,具有一定的局限性.热设计的计算方法冷却方式的选择方法冷却方式的选择方法2:根据热流密度与温升要求,按图2所示关系曲线选择,此方法适应于温升要求不同的各类设备的冷却热设计的计算方法冷却方式的选择方法冷却方式的选择方法案例某电子设备的功耗为300W,机壳的几何尺寸为248×381×432mm,在正常大气压下,若设备的允许温升为40℃,试问采用那种冷却方法比较合理?计算热流密度:q=300/2(2.48×2.2.48+2.48×4.32+2.2.81×4.32)=0.04W/cm2当△t=40℃,q=0.04W/cm2时,其交点正好落在自然冷却范围内,所有采用自然冷却方法就可以满足要求.若设备的温升有严格限制,假设只允许10℃,由图2可以看出,需强迫风冷才能满足要求.机箱的热设计计算密封机箱WT=1.86(Ss+4St/3+2Sb/2)Δt 1.25+4ζεTm3ΔT对通风机箱WT=1.86(Ss+4St/3+2Sb/2)Δt 1.25+4ζεTm3ΔT+1000uAΔT对强迫通风机箱WT=1.86(Ss+4St/3+2Sb/2)Δt 1.25+4ζεTm3ΔT+ 1000QfΔT自然冷却时进风口面积的计算在机柜的前面板上开各种形式的通风孔或百叶窗,以增加空气对流,进风口的面积大小按下式计算:Sin=Q/(7.4×10-5 H×Δt 1.5)s-通风口面积的大小,cm2Q-机柜内总的散热量,WH-机柜的高度,cm,约模块高度的1.5-1.8倍,Δt=t2-t1-内部空气t2与外部空气温度 t1 之差 , ℃出风口面积为进风口面积的1.5-2倍强迫风冷出风口面积的计算模块有风扇端的通风面积:Sfan=0.785(φin2-φhub2)无风扇端的通风面积S=(1.1-1.5) Sfan系统在后面板(后门)上与模块层对应的位置开通风口,通风口的面积大小应为:S＝(1.5-2.0)(N×S模块)N---每层模块的总数S模块---每一个模块的进风面积热设计的计算方法通风面积计算的案例[案例] 铁道信号电源机柜模块及系统均为自然冷却,每层模块的散热量为360W,模块的高度为7U,进出口温差按20℃计算,机柜实际宽度为680mm,试计算每层进出风口的面积?H按2倍模块的高度计算,即 H=2×7U=14U进风口的面积按下式计算:Sin=Q/(7.4×10-5×H×△t1.5)=360/(7.4×10-5×14 ×4.44×201.5)=875 cm2进风口高度h机柜的宽度按B=680mm计,则进风口的高度为:H=Sin/B=875/68=128.7mmb 出风口面积SoutSout=(1.5-2.0)Sin=2×875=1750 cm2热设计的计算方法实际冷却风量的计算方法q`=Q/(0.335△T)q`---实际所需的风量,M3/hQ----散热量,W△T-- 空气的温升,℃,一般为10-15℃.确定风扇的型号经验公式:按照1.5-2倍的裕量选择风扇的最大风量:q=(1.5-2)q` 按最大风量选择风扇型号.热设计的计算方法实际冷却风量的计算方法案例:10K UPS主功率管部分的实际总损耗为800W,空气温升按15℃考虑,请选择合适的风扇.实际所须风量为:q`=Q/(0.335△t)=800/(0.335×15)=159.2m3/h按照2倍的裕量选择风扇的最大风量:q=2q`=2×159.2=318.4m3/h下表风扇为可选型号热设计的计算方法型材散热器的计算散热器的热阻散热器的热阻是从大的方面包括三个部分.RSA=R对+R导+ R辐R对=1/(hc F1)F1--对流换热面积(m), hc –对流换热系数(w/m2.k)R辐--辐射换热热阻 ,对强迫风冷可忽略不计对自然冷却 R辐＝1/(4бεTm3)R导＝R 基板+R肋导＝δ/(λF2)+((1/η)-1)R对流λ--导热系数,w/m.h.℃δ-- 散热器基板厚度(m)η-- 肋效率系数F2--基板的导热面积(m)F2=0.785*(d+δ)2d- 发热器件的当量直径(m)热设计的计算方法型材散热器的计算对流换热系数的计算自然对流垂直表面hcs=1.414(△t/L)0.25 ,w/m.k式中: △t--散热表面与环境温度的平均温升,℃L--散热表面的特征尺寸,取散热表面的高,m水平表面,热表面朝上hct=1.322(△t/L)0.25 ,w/m.k式中: △t--散热表面与环境温度的平均温升,℃L--散热表面的特征尺寸,取L＝2(长×宽)/(长+宽),m 水平表面,热表面朝下hcb=0.661(△t/L)0.25 ,w/m.k式中: △t--散热表面与环境温度的平均温升,℃L--散热表面的特征尺寸,取L＝2(长×宽)/(长+宽),m挤压技术铝挤压技术是 CPU散热片制作工艺中较为成熟的技术，主要针对铝合金材料的加工，因为铝合金材料密度相对较低，可塑性比较强。
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。
电子产品热设计与工程案例分析
Accelink Technologies Co., Ltd.
第二部分 以空气为介质的冷 却
2.1、空冷首先应当重视对流 2.2、空冷中的传导 2.3、风冷中的风道设计与风机选用
三、传热路径
从实际传热观点而言，热设计时应利用中间散热器，它们一般属于设备的一部分，通常为设备 的底座、外壳或机柜、冷板、肋片式散热器或设备中的空气、液体等冷却剂。 热流量经传热路径至最终的部位，通称为“热沉”，它的温度不随传递到它的热量大小而变，即 相当于一个无限大容器。热沉可能是大气、大地、大体积的水或宇宙，取决于被冷却设备所处的 环境。
三、对流换热
⑴ 基本概念及计算式
流动产生的原因自强然迫对对流流
流动性质
层流 湍流
牛顿冷却公式： Q AT
其中α为对流换热系数，单位W/(m2·K)，表征了换热表面的平均对流 换热能力。
由牛顿公式可得对流换热热阻计算公式为：
Rt
1
A
通过量纲分析法，可得对流换热的两个准则方程
自然对流 Nu c(GrPr)n
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1.3 热量传递的基本方式和有关定律
一、热量传递的三种基本方式：导热、对流、辐射
二、导热（热传导）
傅立叶导热定律：
Q A T W
x
A为垂直于热流方向的截面积；λ为材料的导热系数，单位W/(m·K)，它是表征 材料导热能力流换热系数： Nu
L
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四、辐射换热
➢ 辐射能以电磁波的形式传递 ➢ 任意物体的辐射力可以用下式计算：
电子设备的温度管理与热设计考虑
电子设备的温度管理与热设计考虑随着科技的不断进步和电子设备的广泛应用，我们对电子设备的温度管理和热设计也变得越来越重要。
在使用电子设备的过程中，我们经常会遇到设备过热、性能下降、甚至损坏的问题。
因此，合理的温度管理和热设计是确保电子设备正常运行的关键因素之一。
本文将详细介绍电子设备的温度管理和热设计考虑的步骤和要点。
一、温度管理的步骤1. 确定温度要求：不同的电子设备在工作温度和环境温度方面有不同的要求。
不同的温度要求需要采取不同的温度管理措施。
因此，首先需要明确设备的温度要求。
2. 测量和监控温度：使用温度传感器或红外热测技术，对设备的温度进行测量和监控。
通过监控设备温度，可以及时发现设备过热的问题，并采取相应的措施。
3. 提高散热效果：可以通过提高设备的散热效果来降低设备的温度。
有效的散热方法包括使用散热片、散热风扇、散热管等散热装置，以提高设备的散热效果。
4. 控制设备负载：过高的设备负载是导致设备过热的主要原因之一。
因此，合理控制设备负载，避免超负荷运行，有助于降低设备温度。
5. 设备布局和空气流通：合理的设备布局和空气流通是降低设备温度的重要因素。
确保设备之间的间距足够，以便空气流通和散热。
二、热设计的考虑要点1. 材料选择：在进行热设计时，材料的选择是至关重要的。
应选择具有良好导热性能的材料，以便将热量有效地传输和扩散到周围环境中。
2. 散热装置的设计：合理的散热装置设计可以增加设备的散热效果。
散热装置的设计应考虑到设备的散热需求和空间限制等因素。
3. 系统风扇的设计：在一些高性能的电子设备中，系统风扇是必不可少的部件之一。
系统风扇的设计应考虑到散热需求和噪音控制等因素。
4. 电路布局和排线：在进行热设计时，电路布局和排线的合理设计可以降低电路的温度，并避免干扰和电磁辐射的问题。
5. 热模拟和仿真：在进行热设计时，可以使用热模拟和仿真软件进行模拟和分析，以评估设备的热性能，并进行相应的优化。
电子产品热设计、热分析及热测试
电子产品热设计、热分析及热测试高级研修班各有关单位：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，北京中企远大文化传播中心决定分期组织召开“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：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。
(1)、电子设备热设计要求（0.5H）1 热设计基本要求2 热设计应考虑的问题(2)、电子设备热分析方法（1.5H）1热分析的基本问题2传热基本准则3换热计算4热电模拟5热设计步骤(3)冷却方法的选择（0.5H）1冷却方法的分类2冷却方法的选择3冷却方法选择示例4冷却技术的极限(4)电子元器件的热设计及热分析（0.5H）1热设计流程2常用器件的热特性3散热计算4功率器件的ICEPAK热分析(5)电子设备的自然冷却设计（1H）1热安装技术2热屏蔽和热隔离3印制板的自然冷却设计4传导冷却5电子设备机柜和机壳的设计(6)散热器的设计及选型（2H）1概述2散热器的传热性能3散热器设计4散热器在工程应用中的若干问题(7)风冷系统设计及风机选型（1.5H）1强迫空气冷却的热计算2通风机3系统压力损失及计算4风冷系统的设计5通风管道的设计6风冷机箱和机柜设计(8)电子设备用冷板设计（0.5H）1概述2冷板的结构类型及选用原则3冷板的换热计算4冷板的设计步骤(9)热电制冷器（1H）1概述2热电制冷的基本原理3制冷器冷端净吸热的基本方程4热电制冷器的两种设计方法5多级热电制冷器的性能6热电制冷器工程设计实例7热电制冷器的结构设计8热电制冷器在热控制中的应用(10)热管散热器的设计（1H）1概述2热管的类型及其工作原理3普通热管的传热性能4热管设计(11)电子设备的热性能评价（0.5H）1热性能评价的目的与内容2热性能草测3热性能检查项目4热性能测量及通过标准(12)I cepak热分析软件的应用（1H）1 Icepak软件功能简介2建模过程3典型散热部件的Icepak分析 4 Icepak应用实例\(13)热设计实例（2.5H）1电子设备热分析软件应用研究2典型密封式电子设备结构设计3功率器件热设计及散热器的优化设计4户外机柜的散热设计实例5高热流密度水冷机柜设计方案6某3G移动基站的热仿真及优化7电子设备热管散热技术现状及进展8吹风冷却时风扇出口与散热器间距离对模块散热的影响9实验评估热设计软件培训收益：通过本课程的学习，学员能够了解：1.电子设备热设计要求及热设计方法2. 电子设备冷却方法的选择及主要元器件的热特性3. 电子设备的自然冷却及强迫风冷设计4. 散热器的设计及优化5. 热电致冷、热管散热器等高效散热部件的原理及应用6. 电子设备热性能评价及改进方法7. 计算机辅助热分析原理8. 电子设备热设计工程应用实例。
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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，且有能量方式的转换，即热能转换为辐射能及从辐射能转换成热能。
第1.2节热设计的基本要求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、电阻、电抗器、变压器、模块散热结构的设计和机箱散热结构的设计。
电子设备的热设计要与电路设计和结构设计同时进行，满足设备可靠性的要求。
热设计与维修性设计相结合，可提高设备的可维修性。
第1.3节热设计中术语的定义⑴热特性：设备或元器件的温升随热环境变化的特性，包括温度、压力和流量分布特征。
⑵热流密度：单位面积的热流量。
⑶热阻：热量在热流路径的阻力。
⑷内热阻：元器件内部发热部位与表面某部位之间的热阻。
⑸安装热阻：元器件与安装表面之间的热阻，又叫界面热阻。
⑹温度稳定：温度变化率不超过每小时2℃时，称为温度稳定。
⑺温度梯度：等温面的法向方向上单位距离所引起的温度增量定义为温度梯度。
⑻紊流器：提高流体流动紊流程度并改善散热效果的装置。
⑼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。
它也可能是大地、大气、大体积的水或宇宙，又称热地。
过去我们也称为“最终散热器“，也就是我们将在后面讨论的热电模拟回路中的接地点。
对空用和陆用设备而言，周围的大气就是热沉。
第1.4节电子设备的热环境各类电子设备使用场所的热环境的可变性是热控制的一个必须考虑的重要因素，例如装在宇航飞行器上的电子设备在整个飞行过程中将遇到地球大气层的热环境、大气层外的宇宙空间的热环境等。
导弹上工作的电子元器件所经受的环境条件比地面室内设备的环境条件恶劣得多，它们必须满足不同环境温度和特殊飞行密封舱的压力要求，除此之外，还有机诫振动和电磁干扰等因素。
图1-1元器件失效率与温度的关系电子设备的热环境包括：⑴工作过程中，功率元件耗散的热量。
⑵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。
⑶设备与大气环境产生相对运动时，各种摩擦引起的增温。
⑷环境温度和压力（或高度）的极限值。
⑸环境温度和压力（或高度）的变化率。
⑹太阳或周围物体的辐射热。
⑺可利用的热沉（包括：种类、温度、压力和湿度）。
第1.5节热设计的详细步骤⑴确定设备(或元器件)的散热面积、散热器或周围空气的极值环境温度范围。
⑵确定冷却方式。
⑶对少量关键发热元器件进行应力分析，确定其最高允许温度和功耗，并对其失效率加以分析。
⑷按器件和设备的组装形式，计算热流密度。
⑸由器件内热阻(查器件手册)确定其最高表面温度。
⑹确定器件表面到散热器或空气的总热阻。
⑺根据热流密度等因素对热阻进行分析与分配，并对此加以评估，确定传热方法和冷却技术。
⑻选定散热方案。
第2章电子产品热设计分析第2.1节主要电子元器件热设计2.1.1 电阻器电阻器的温度与其形式、尺寸、功耗、安装位置及方式、环境温度有关，一般通过本身的辐射、对流和引出线两端的金属热传导来散热，在正常环境温度下，经试验得知，对功率小于0.5W的炭膜电阻，通过传导散去的热量占50%，对流散热占40％，辐射散热占10％。
因此在装配电阻器时，要使其引出线尽可能短，以减小热阻，安装方式应使其发热量大的面垂直于对流气体的通路，并加大与其他元器件之间的距离，以增加对流散热效果，电阻器的表面涂以无光泽的粗糙漆，可提高辐射散热能力。
2.1.2 变压器铁芯和线包是变压器的热源，传导是其内部的主要传热途径，因此要求铁芯与支架，支架与固定面都要仔细加工，保证良好接触，使其热阻最小，同时在底板上应开通风孔，使气流形成对流，在变压器表面涂无光泽黑漆，以加强辐射散热。
图 2-1变压器热设计第2.2节模块的热设计模块热设计是使模块在上述任一传热路径上的热阻足够低，以保证元器件温度不超过规定值，将界面温度即散热片或导轨的表面温度控制在0℃～60℃。
模块的热设计有两类问题：根据模块内部要求进行设计，包括界面温度、功耗和元器件的许用温度等；根据系统的环境、封装、单个或组合的模块功耗等要求，对整个系统进行热设计。
模块内部的热设计。
为满足电子模块的可靠性要求，设计上必须保证模块处于最大功耗时及在其额定界面温度下，使所有元器件的温度低于元器件的临界温度(即比有关规范规定的额定值的100%低20℃的温度)。
元器件的瞬态临界温度(指额定值)可看作安全因子，当散热片和导轨温度达到80℃(比最高界面温度高20℃)时所有元器件的温度应低于或等于元器件的瞬态临界温度。
电子产品热设计实例一：IBM “芯片帽”芯片散热系统如何将芯片发出的热量更好的传导出去，一直是硬件厂商多年努力的目标，因为更好的散热无疑意味着更高的芯片频率，更强的性能。
从理论上来说，散热片和芯片表面结合的越紧密，散热效率越高。
将散热片在芯片顶部压紧自然是一种方案，但压力过大又会破坏芯片。
IBM公司的研究人员近日发布了一项研究成果，能够大大提高芯片散热的效率。
这套系统名叫“芯片帽”，或者说是高导热性接触面技术。
我们之前安装CPU风扇时有这样的经验，风扇的散热片底部打磨的越光滑，在涂上导热剂之后接触越紧密，散热越好。
但IBM瑞士苏黎世实验室先进散热封装小组负责人Bruno Michel根据研究表示，完全光滑平整的接触面并不是散热的最佳方案。
他们从树木的根系和人的血管系统得到启发，在散热片底部开辟出了粗细不同，互相连接的渠道。
也就是说，散热片的底部也通过细微的高低不平增大了接触面积。
这样，当通过硅或银质的导热介质和芯片核心接触时，IBM宣称能够带来和现有方案相比10倍的散热效率。
同时，加在散热片上的压力只需要之前的一半，避免了破坏核心的可能性。
Bruno Michel表示，现有风冷技术最高只能支持每平方厘米75W的散热效率，而他们的“芯片帽”可以达到每平方厘米370W，能够带给芯片厂商大得多的开发空间。
同时，IBM的苏黎世实验室还在展望更加前卫的技术，名为直接喷射冲击技术。
该技术基于上面讲的多纹理接触面，又结合了液冷技术。
将散热片表面的渠道体系排列的更为规则，用最多50000个微型喷嘴直接向这些阵列喷射散热液体。
而液体流经这些繁杂的渠道后，在整个封闭系统内被全部回收。
如此一来，无疑能够创造更加革命性的散热效率。
图 2-2芯片帽示意图图 2-3构想中直接喷射冲击技术的散热片表面第2.3节整机散热设计⑴确定整机的热耗和分布。
⑵根据整机结构尺寸初步确定散热设计方案。
⑶对确定的冷却方式进行分析(如强迫风冷的风机数量，选型，级联方式，风道尺寸，风量大小，控制方式等)。
⑷针对分析结果可利用热分析软件进一步验证。
⑸对散热方案进行调整进而最后确定。
图 2-4比较优秀的整机散热设计电子设备的机壳是接受设备内部热量，并通过它将热量散发到周围环境中去的一个重要热传递环节。
机壳的设计在采用自然散热和一些密闭式的电子设备中显得格外重要。
试验表明，不同结构形式和涂覆处理的机壳散热效果差异较大。
机壳热设计应注意下列问题：（1）增加机壳内外表面的黑度，开通风孔（百叶窗）等都能降低电子设备内部元器件的温度；（2）机壳内外表面高黑度的散热效果比两测开百叶窗的自然对流效果好，内外表面高黑度时，内部平均降温20℃左右，而两侧开百叶窗时（内外表面光亮），其温度只降8℃左右；（3）机壳内外表面高黑度的降温效果比单面高黑度的效果好，特别是提高外表面黑度是降低机壳表面温度的有效办法；（4）在机壳内外表面黑化的基础上，合理地改进通风结构（如顶板、底板、左右两侧板开通风孔等），加强空气对流，可以明显地降低设备的内部温度环境；（5）通风口的位置应注意气流短路而影响散热效果，通风孔的进出口应开在温差最大的两处，进风口要低，出风口要高。