中兴热设计培训教材(pdf 46页)
产品的热设计培训资料学习
自然对流的对流表面换热系数大）；
– 选用有利于增强对流换热的流体作为介质（液体比气体的对
流换热能力强）。
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热设计的基础知识
v增强辐射散热的主要措施
– 在零部件或散热片上涂覆黑色粗糙的漆，增大其辐射系数，
从而增强辐射能力；热敏感元件的表面应做成光亮的表面， 减小其辐射系数，从而减小吸收辐射热量；
瓷
0.71 35
0.5 1-4 370 0.03
铁 27 氧化铍
272.1
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热设计的基础知识
v接触热阻
Heat sink
Actual contact area < 2% of apparent contact area
Heat source
• Surface should be smooth • Use thermal interface material • Apply pressure
– 加大辐射体的表面积； – 设法降低设备周围的温度，加大辐射体与周围环境的温差。
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热设计的基本要求及设计准则 • 热设计的实施过程
热设计的实施过程
产品规格定义和 产品系统设计阶段
产品开发阶段
整机试装阶段
初步热设计
详细热设计 测试验证和设计改进
散热方式 散热风道方案 均部热荷载下的单板温度 分布—指导单板器件布局
详细风道设计方案 单板关键芯片热分析 和温度控制 散热器的选择和分析
热设计验证 解决遗留的、牵涉 面小的散热问题
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热设计的基本要求及设计准则
中兴--热设计培训教材(105页)
课程的内容：•热设计的概念和基础•冷却方法的选择•风道设计的基本原则•风机的选用方法和原则•噪声测量及控制•PCB板热设计•散热器的选择•热测试的目的和方法•热仿真分析•产品热设计通过的判定标准•产品研发热设计流程•案例分析热设计的概念和基础我们为什么需要热设计？1、系统的集成度越来越高2、大功耗器件的广泛使用3、系统的大容量和产品体积的小型化要求4、环境适应性要求越来越高（如户外产品越来越多）热设计的定义综合利用传导、对流及辐射三种换热手段，设计发热源至环境的低热阻通路，以满足设备散热要求的过程称为热设计。
热设计的目的为了保证产品在指定的环境规格条件下正常工作并达到产品的可靠性目标，从而满足对产品各部分温升的限制性要求。
热设计目标是可靠性目标的一部份。
热量传递的基本方式热量总是自发地从高温区传向低温区或从物体高温部分传向低温部分。
三种传递方式：1、传导2、对流3、辐射传导物体直接接触时, 通过分子间动能传递进行能量交换的现象。
Q = K A △t / LQ ----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, ℃L ----传热路径长度, m传导•常用材料的导热系数：铝约180、压铸铝120、铁约40 、铜390（但铜的密度是铝的3倍，重量、价格）•导热系数大，内部温差就小•热管是一种传热能力极高的结构，其导热系数可达10000•我们常常在芯片与散热器之间增加导热（绝缘）材料，是因为两个表面间凸凹不平，中间有空气，需要用导热性能好的材料填充。
材料要求形状适应性好，尽可能薄、压力大（注意芯片能承受的最大压力）；•常见的导热介质材料有导热胶、导热硅脂、导热软硅胶垫片、导热云母片、导热相变材料等，适用场合各不相同；•由于导热硅脂的填充性好，在两个比较平的表面上，热阻比其它导热绝缘材料小；•目前常用导热硅脂的导热系数为0.8～1，但也有2、4、5，最大可达10。
thermal-design1
Nu = C *( Ra )**n
Averaged Nusselt number for free convection
•
Vertical plates under uniform surface – temperature conditions
Type of flow Range of Ra C N
junction
block
Hp1
Hp2
fin
ambient
(Thermal network)
Θj-b Θb-hp1 Θhp1-hp2 Θhp1-fin Θfin-amb
※Every interface resistance has to be reduced to maximize cooling capability.
Brushless DC Fan components
• Rotor assembly─fan blades and permanent magnetic core.
• Stator─stationary set of electromagnets. • Suspension system─shaft and Bearings. • Rotor position sensor─Hall effect device. • Commutation control chip─To control the sequential switching of each stator phase.
• 35 Watts Northwood in a 17.2 mm internal height.
• 24.5 watts Banias in a 13 mm internal height.
• 12 watts Banias LV in a 10.2 mm internal height.
热设计培训讲义
4
W /m
2
注：上面两个公式中的温度均为绝对温度，而非摄氏温度。
黑度ε（发射率）：取决于物体温度、种类和表面状况，与 颜色无关。
灰体：其黑度和吸收比与波长无关的理想体。灰体的吸收比 恒等于同温度下的黑度。一般工程材料均可当成灰体处理 ⑵ 辐射换热的网络分析法 思路：把辐射换热模拟成相应的电路系统。 做法：引入两个辐射换热热阻。
1.5 稳态传热
1.6 瞬态传热 1.7 耗散功率的规定
1.1 引言
电子元件的热封装和热设计 电子设备热控制技术的发展 热控制的基本目的：防止电子元件严重 的热损坏
1.2 热源和热阻
电子设备工作过程中可能的三种热量来源
① ② ③ 功率元件耗散的热量：电能→热能 周围环境传递给设备的热量 大气中高速运动的设备由摩擦引起的增温
工程中肋片散热量的计算步骤：
⑴ 计算当量肋高
等截面矩形肋 l c l / 2
l = r2 r1 矩形截面环行肋 l c l / 2 r r l 0 1 c
三角形肋
lc = l
f
th ( m l c ) m lc
⑵ 计算肋效率
⑶ 计算理想情况下的肋片散热量
定义肋效率：
f
肋片实际散热量 按肋片基部温度计算的散热量
＝
Q Q0
在上述分析条件下，通过能量守恒定律及傅立叶导热定律，可以得 到肋片效率的计算公式为：
f
th ( m l c ) m lc
U
α—— 对流换热系数； m λ—— 肋片导热系数 Ac U —— 横截面周长； lc—— 当量肋高； AC —— 横截面面积。
热设计培训
5.2.3 辐射 物体以电磁波形式传递能量的过程。辐射不需要介质，且有能量形式 的转换。辐射散热的计算公式是： Q=εσA(T14-T24) 其中，Q---辐射散热量，W ε---散热表面的黑度 σ---斯蒂芬-玻尔兹曼常数，5.67X10-8 W/m2.K4 T1、T2---分别为物体和环境的绝对温度，K
2、热对流： 流体个体部分之间发生相对位移，冷热流体 相互掺混所引起的热量传递方式。主要发生在依 靠流体（空气，水等）流动发生的热交换。 根据引起流动的原因而论，可分为自然对流 和强制对流换热。 自然对流：单体散热片贴在热源上，在相对 无风的环境中的散热。换热效率较低。 强制对流：通过外加机械力的作用（如风 扇），加强流体的作用，使单位时间内流过散热 器表面的气流体积大幅增加，从而大幅提高换热 效率。
4．2 元器件的温度 热设计的最主要目的是确保电子设备中元器件的工作温度低于其 最大的许可温度。 元器件的最大许可温度根据可靠性要求及失效率确定，对于半导 体器件和集成电路，主要是控制结温tj，热设计要保证tj≤（0.5—0.8） tjmax，其中tjmax 是器件的最大许可结温。一般地，对于tjmax=150℃的 器件，tj 应小于120℃； 对于tjmax=125℃的器件，tj 应小于95℃。由于 结温没有办法测量，通常是测量壳温，再按器件热阻计算出结温。另外要 防止由于器件管脚热阻较小，热量大部分传到PCB 板从而引起PCB 局部温 度过高，进而导致PCB 烧黄或损害周围其它器件的问题。
6.2.1自然对流下PCB板局部强化散热方案
测试和分析研究表明，散热最优的过孔设计方案为：孔径10～12mil，孔中 心间距30～40mil，也可以根据器件的热耗水平和温度控制要求对过孔数量进行 优化.
B:增加散热铜箔的层数、铜箔厚度对于平面方向的导热性能改善高于 法向方向上导热性能的改善。