1、11/14/20221介绍 v为什么要进行热设计？高温对电子产品的影响高温对电子产品的影响：绝缘性能退化；元器件损坏；材料的热老化；低熔点焊缝开裂、焊点脱落。温度对元器件的影响温度对元器件的影响：一般而言，温度升高电阻阻值降低；高温会降低电容器的使用寿命；高温会使变压器、扼流圈绝缘材料的性能下降，一般变压器、扼流圈的允许温度要低于95C；温度过高还会造成焊点合金结构的变化IMC增厚，焊点变脆，机械强度降低；结温的升高会使晶体管的电流放大倍数迅速增加，导致集电极电流增加，又使结温进一步升高，最终导致元件失效。11/14/20222介绍v热设计的目的 控制产品内部所有电子元器件的温度，使其在所处的
2、 工作环境条件下不超过标准及规范所规定的最高温度。最高允许温度的计算应以元器件的应力分析为基础,并且与产品的可靠性要求以及分配给每一个元器件的失效率相一致。v在本次讲座中将学到那些内容 热设计的基本理论、基本数据、设计原则、测试方法及相关测试仪表。11/14/20223授课内容v 热设计的基础知识 30分钟v 热设计的基本要求及一般设计准则 30分钟v 风扇的基本知识 15分钟v 热界面材料 10分钟v 热设计验证方法 25分钟v 热设计的验证标准 10分钟 11/14/20224概述 v热设计的基础知识热设计的基础知识：热设计基本概念与术语、散热的基本方式、热电模拟法、热路及热网络v 热设计
3、的基本要求及一般设计准则热设计的基本要求及一般设计准则：通过实例分析，讲述热设计的设计要求及准则。v 风扇的基本知识风扇的基本知识：风扇的选型方法，应用准则。v 热界面材料热界面材料：热界面材料的种类、选型准则。v 热设计验证方法热设计验证方法：热测试相关的仪器/仪表的特点/及使用场合/注意事项、如何减少热测试误差的方法及注意事项。v 热设计的验证标准热设计的验证标准：热设计的验证标准。11/14/20225热设计的基础知识v热设计的基本概念热特性：热特性：设备或元器件温升随热环境变化的特性，包括温度、压力和流量分布特征。导热系数：导热系数：表征材料导热性能的参数指标，它表明单位时间、单位面积
4、、负的温度梯度下的导热量，单位为W/m.K或W/m.。对流换热系数：对流换热系数：反映两种介质间对流换热过程的强弱，表明当流体与壁面的温差为1 时，在单位时间通过单位面积的热量，单位为W/m2.K或W/m2.。热阻：热阻：热量在热流路径上遇到的阻力，反映介质或介质间的传热能力的大小，表明了1W热量所引起的温升大小，单位为/W或K/W，可分为导热热阻，对流热阻，辐射热阻及接触热阻四类。11/14/20226热设计的基础知识v热设计的基本概念流阻：流阻：反映流体流过某一通道时所产生的压力差。单位帕斯卡或mm.H2O或巴。定性温度定性温度：确定对流换热过程中流体物理性质参数的温度。肋片的效率肋片的效
5、率：表示某一扩展表面单位面积所能传递的热量与在同样条件下光壁所能传递的热量之比黑度黑度：实际物体的辐射力和同温度下黑体的辐射力之比，它取决于物体种类、表面状况、表面温度及表面颜色。雷诺数雷诺数Re(Reynlods)：雷诺数的大小反映了流体流动时的惯性力与粘滞力的相对大小，雷诺数是说明流体流态的一个相似准则。11/14/20227热设计的基础知识v热设计的基本概念格拉晓夫数格拉晓夫数Gr(Grashof)：反映了流体所受的浮升力与粘滞力的相对大小，是说明自然对流换热强度的一个相似准则，Gr越大，表面流体所受的浮升力越大，流体的自然对流能力越强。通风机的特性曲线通风机的特性曲线：指通风机在某一固
6、定转速下工作，静压、效率和功率随风量变化的关系曲线。系统的阻力特性曲线 ：是指流体流过风道所产生的压力随空气流量变化的关系曲线，与流量的平方成正比。通风机工作点通风机工作点：系统(风道)的特性曲线与风机的静压曲线的交点就是风机的工作点。11/14/20228热设计的基础知识v热设计的基本概念温度稳定温度稳定：当设备处于工作状态时，设备中发热元器件表面温度每小时变化波动范围在1内时，称温度稳定。设备外部环境温度设备外部环境温度：设备达到稳定温度时距离设备各主要表面几何中心80mm处空气温度按各表面积的加权平均值。机柜机柜/箱表面温度箱表面温度：设备达到稳定温度时各主要外表面几何中心点上温度的平均
7、值。热点热点：元器件、散热器和冷板的各个局部表面温度最高的位置。热点器件指单板上温度最高和较高的器件。温升温升：元器件表面温度与设备外部环境温度的差值。用符号t表示。11/14/20229热设计的基础知识v热设计的基本概念温度与温升的区别温度与温升的区别：温度是量化介质热性能的一个指标，是一个绝对概念；温升是指介质自身或介质间温度的变化范围，它总是相对于不同时刻或同一时刻的另一介质，是一个相对概念。层流与紊流层流与紊流(湍流湍流)：层流指流体呈有规则的、有序的流动，换热系数小，流阻小；紊流指流体呈无规则、相互混杂的流动，换热系数大，流阻大。风道的局部阻力与沿程阻力风道的局部阻力与沿程阻力：局部
8、阻力指由于风道的截面积发生变化而引起的压力损失；沿程阻力指由于流体粘性而引起的压力损失。表征温度的方式表征温度的方式：表征介质温度的方式有三种：摄氏温度，绝对温度，华氏温度，它们的换算关系如下：TK273Tc,Tc=5(TF-32)/911/14/202210热设计的基础知识v散热的基本方式 热量传递有三种方式热量传递有三种方式：导热、对流和辐射，它们可以单独出现，也可能两种或三种形式同时出现导热的基本方程导热的基本方程：QF导 t/=t/R导 -导热系数，W/m.K或W/m.;F导-导热面积，m2 T-温差，;R导-导热热阻,/W；-厚度(m)11/14/202211热设计的基础知识对流的基
9、本方程对流的基本方程：QF对t=t/R对 -对流换热系数，W/m2.K或W/m2.;F对-有效对流换热面积，m2；T-温差，;R对流-对流热阻,/W辐射的基本方程：辐射的基本方程：Q5.6710-812f12F辐射(T14-T24)12-系统黑度，121/(1/1+1/2-1)1，2-分别为物体1和物体2的黑度;f12-角系数 F辐射-物体的辐射面积，m2;T1,T2-分别为物体1和物体2的绝对温度，Kv散热的基本方式11/14/202212热设计的基础知识v热电模拟法热电模拟法热电模拟法：用电气工程师熟悉的电路网络表示方法来处理热设计问题，将热流量(功耗)模拟成电流；温差模拟成电压(或电位差
10、)；热阻模拟成电阻，热导模拟成电导；热容模拟成电容。温度(温差)是引起热流量传递的“电位”；恒温热源等效于理想的恒压源；恒定的热流源等效于理想的电流源。热沉等效于“接地”或“地线”，所有的热源和热回路均与其相连，形成热电模拟网络，导热、对流和辐射换热的区域均可用热阻来处理。热阻的串联与并联热阻的串联与并联：等效于电路的串联与并联，串联的热阻为个部分热阻之和 并联的热阻的倒数等于各部分热阻的倒数之和。11/14/202213热设计的基础知识v热电模拟法电阻的并联：1/R=1/R1+1/R2+.热阻的并联：1/Rth=1/Rth1+1/Rth2+.电阻的串联：R=R1+R2+.热阻的串联：Rth=
11、Rth1+Rth2+.电容 C(法)热容 CWCp(cal/)电阻 RI/Vab(欧姆)热阻 Rth=T/P(/W)电压 VabVa-Vb(V)温差 T=T2-T1()电流 I(A)热流 P(W)电电路路热热路路11/14/202214热设计的基础知识v热路及热网络的案例分析热阻的串联热阻的串联Rtotal =Rth j-a =Rth j-c +Rth c-aRth j-a =Rth j-c +Rth c-aRth j-p-a=Rth j-p+Rth p-aRtotalRth c-aRth j-cSingle chip PCBA modelSingle chip model热阻的并联热阻的并联
12、11/14/202215热设计的基础知识v热设计的基础数据常用材料的导热系数常用材料的导热系数2714038690150204192导导热热系系数数(w/m.k)铁铁黄黄铜铜紫紫铜铜压压铸铸铝铝ACD12防防锈锈铝铝LF21纯纯铝铝铝铝合合金金6063材材料料272.10.033701-40.5350.71导导热热系系数数(w/m.k)氧氧化化铍铍空空气气氮氮化化铝铝陶陶瓷瓷导导热热绝绝缘缘材材料料硅硅脂脂三三氧氧化化二二铝铝陶陶瓷瓷云云母母材材料料11/14/202216热设计的基础知识v常用PCB基材的导热系数及热膨胀系数CTE(10Substrate MaterialThermal Co
13、nductivityGlass-epoxy(FR4)12 160.15Glass-polyimide13 170.35Polyimide Kevlar4 80.12Polyimide-quartz6 120.35Copper-clad Invar6 7165(lateral)16(transverse)Alumina5 737FR4 with compliant0.15 0.2conforms/C-6o)11/14/202217热设计的基础知识v单位换算1 Pa=9.8 mm.H2Omm.H2O1 Pa=248.92 in.H2Oin.H2OPa 帕斯卡流阻m3/min=35.315CFMCF
14、M立方英尺/分钟m3/min风量1m/s=196.86 LFMLFM英尺/分钟m/s风速1w/m2.k=0.859841 kcal/m2.h.kcal/m2.h.1w/m2.k=1w/m2.w/m2.1 w/m2.k=0.1761 BTU/ft2.h.FBTU/ft2.h.F 英热单位/平方英尺.小时.华式度w/m2.k换热系数1 W/m.k=0.85984 kcal/m.h.kcal/m.h.1 W/m.k=1 w/m.w/m.1 W/m.k=0.5778 BTU/ft.h.FBTU/ft.h.F英热单位/英尺.小时.华式度W/m.k 瓦/米.开尔文导热系数1瓦0.85984 kcal/hK
15、cal/h 千卡/小时1瓦3.4121BTU/hBTU/h 英热单位/小时W 瓦热流1焦耳0.23884calCal 卡1千焦耳0.94783 BTUBTU 英热单位J焦耳热量Tk=Tc+273摄氏度Tk=273+5(TF-32)/9F 华氏度K 开尔文温度换换算算关关系系英英制制或或工工程程单单位位国国际际单单位位项项目目11/14/202218热设计的基本要求及设计准则v热设计的实施过程11/14/202219热设计的基本要求及设计准则v元器件的散热途径11/14/202220热设计的基本要求及设计准则1.功率器件的选择原则2.在其它性能参数相同的情况下，应优先选用允许结温Tj高的功率器件
16、（根据供应商手册提供的数据进行筛选）；在其它性能参数相同的情况下，应优先选用结壳热阻Rjc较小的功率器件(根据供应商手册提供的数据进行筛选）。3.在其它性能参数相同的情况下，应优先选用传热面较大的功率器件(根据供应商手册提供的数据进行筛选）,以减小功率器件与散热器间的接触热阻Rcs。4.对于MOSFET器件,在的结壳热阻RJC相近的条件下,应优先选用25下RD(ON)较小的器件。5.对于IGBT器件,在的结壳热阻RJC相近的条件下,应优先选用相同门极电阻下开关能量较小的器件。11/14/202221热设计的基本要求及设计准则v功率器件的结温计算 如果已知道散热器台面温度Ts,则器件的工作结温为
17、：Tj=Ts+PTRth(j-s)如果已知散热器的热阻，环境温度，则器件的工作结温为：Tj=Ta+PTRth(j-a)11/14/202222热设计的基本要求及设计准则vPCB的的热设计的基本准则之一热设计的基本准则之一：加散热铜箔和采用大面积电源地铜箔Balance clabconstructionThermal EpoxyCopper discRth j-p11/14/202223热设计的基本要求及设计准则vPCB的热设计的基本准则之二：的热设计的基本准则之二：散热焊盘由过孔连接到内层夹心层进行散热和热平衡LCCCsolderedthermal padCopper cladinvar co
18、reThermal viaElectrical viaSubstrateSolder Joint11/14/202224热设计的基本要求及设计准则vPCB的热设计的基本准则之三：的热设计的基本准则之三：增大散热面积及对流Rth c-aRth j-c散热器风扇11/14/202225vPCB的热设计的基本准则之四：的热设计的基本准则之四：CTE的补偿：50um elastomeric layerglass-epoxyceramic chipsolder jointSubstrateSolder paste withporcelain or metalspheresstandoff1.柔柔性性层层
19、2.Stand-offv利用弹性材料和焊点作缓冲，减小CTE失配带来的影响；v选用有引脚器件。11/14/202226vPCB的热设计的基本准则之五：的热设计的基本准则之五：焊盘的隔热设计11/14/202227vPCB的热设计的基本准则之六：的热设计的基本准则之六：PCB布局设计 应将不耐热的元件(如电解电容器)放在靠近进风口的位置，而将本身发热而又耐热的元件(如电阻,变压器等)放在靠近出风口的位置。应将功率大、发热量大的元器件放在出风口的位置。当元器件的发热密度超过0.6W/cm3，单靠元器件的引线腿及元器件本身不足充分散热，应采用散热网、汇流条等措施。11/14/202228vPCB的热
20、设计的基本准则之七：的热设计的基本准则之七：大功率、热敏器件的要求High power devicesnear edge of substrateheatsinkedge stripheat dissipatersheat sensitive devicetall,long devicere-circulationairflow11/14/202229vPCB的热设计的基本准则之八：的热设计的基本准则之八：元器件间距d/D=0.7(c)(d)dd(a)d/D=0.85d/L=0.25dd/D=0.65(e)ddmin=2.5mm(b)d热表面热表面热表面热表面热表面热表面冷表面冷表面冷表面冷表
21、面DDDLL11/14/202230v PCB的热设计的基本准则之九：的热设计的基本准则之九：元器件安装应尽量减少元器件壳与散热器表面间的热阻，即接触热阻。采用短通路，尽可能避免采用导热板或散热块把元器件的热量引到散热器表面，而元器件直接贴在散热器表面则是最经济、最可靠、最有效的散热措施。为了改善器件与散热器接触面的状况，应在接触面涂导热介质，常用的导热介质有导热脂、导热胶、导热硅油、热绝缘胶等。对器件须与散热器绝缘的情况，采用的绝缘材料应同时具有良好的导热性能，且能够承受一定的压力而不被刺穿。其接触热阻的大小因使用条件不同（如紧固压力及接触面积等）而不同。把器件装配在散热器上时，应严格按照数
22、据手册中提供的安装压力或力矩进行装配，压力不足会使接触热阻增加，压力过大会损坏器件。将大功率混合微型电路芯片安装在比芯片面积大的钼片上。对于多层印制线路板，应利用电镀通孔来减少通过线路板的传导热电阻。这些小孔就是热通路或称热道。当利用接触界面导热时，采用下列措施使接触热阻减到最小。尽可能增大接触面积；确保接触表面平滑；利用软材料接触。扭紧所有螺栓以加大接触压力(注意不应残留过大应力)。利用合理的紧固件设计来保证接触压力均匀。11/14/202231v自然冷却风路的设计原则 功能单元(模块)布局应考虑机柜的风路设计要求,对直齿型散热器,应保证散热器的齿槽垂直于水平面,有利于形成“烟囱”效应。元器
23、件应纵向排列,让元器件的长边与空气上升的方向平行。机箱内元器件布置应较稀疏，有利于空气流通。进出凤口的高度尽可能大。11/14/202232v强迫风冷风路的设计原则 如果发热分布均匀，元器件的间距应均匀，以使风均匀流过每一个发热源；如果发热分布不均匀，在发热量大的区域元器件应稀疏排列，而发热量小的区域元器件布局应稍密些，或加导流条，以使风能有效的流到关键发热器件。如果风扇同时冷却散热器及模块内部的其它发热器件，应在模块内部采用阻流方法，使大部分的风量流入散热器。进风口的结构设计原则：一方面尽量使其对气流的阻力最小，另一方面要考虑防尘，需综合考虑二者的影响。11/14/202233v风路的设计原
24、则 自然冷却条件下，对设备内有多块PCB板时，应与进风方向平行并列安装，每块PCB板间的间距应大于30mm，以利于对流散热；对强迫风冷条件下，PCB板的间距可以适当减小，但必须符合安规要求。底板、隔热板、屏蔽板、印制板的位置应以不要阻碍或阻断气流为原则11/14/202234v风道的设计原则风道的设计原则 一些产品如变频器有专门的通风管道，正确地设计和安装风道对散热效果有较大的影响，风道设计应注意下面几个问题：风道尽可能短，缩短管道长度可以降低风道阻力。尽可能采用直的锥形风道，直管加工容易，局部阻力小。风道的截面尺寸和出口形状，风道的截面尺寸最好和风扇的出口一致，以避免因变换截面而增加阻力损失
25、，截面形状可为园形，也可以是正方形或长方形；11/14/202235v 冷却方法的选择原则 冷却方法种类冷却方法种类 常用的冷却方式有：自然冷却，强迫风冷，强迫液冷，蒸发冷却，热电致冷，热管冷却，冷板技术。选择冷却方法须考虑的因素选择冷却方法须考虑的因素 设备的热流密度，总损耗，能提供的散热表面积及体积，设备和元器件的允许温度(温升)，环境条件等。11/14/202236v冷却方法的选择原则 确定冷却方法的原则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。当冷却表面的热流密度为0.024-0.039W/cm25，采用自然对流，上限适
26、用于通风条件较差的情况，下限适用于通风条件较畅的场合。当冷却表面的热流密度为0.078W/cm2 5，采用强迫风冷。11/14/202237v 型材散热器的选择及设计原则材质的选择 散热器材料应具有较高的导热系数，一般推荐使用 浇铸或压铸散热器：纯铝 =210W/m.k 铝型材散热器：6063（LD31）=180W/m.k 特殊条件下：紫铜T2 =380W/m.k 散热器的各项技术指标应符合 电力半导体器件型材散热器技术条件。散热器安装器件的表面光洁度Ra1.6。肋片高=(3-5)倍肋间距的设计具有最优的性能价格比。表面应加波纹齿，波纹齿高为0.3-0.5mm,宽为0.5-1mm,以增加对流换
27、热面积；应保证散热器具有一定的基板厚度，推荐5-10mm之间；而对工作在间歇式方式下的散热器，基板的大小应充分考虑散热器的瞬态热阻，具体情况具体设计。对只安装一个器件在散热器的中央，散热器的长度应为截面宽度的1.5-2倍。当散热器流向长度大于300mm以上，应把散热器的肋片从中间断开，以增加流体扰动，提高对流换热系数。对自然对流条件下，散热器的齿间距应大于12mm，以避免热边界层相互交叉。11/14/202238v 冷板散热器的选择及设计原则 冷板的特点：冷板的特点：冷板的温度梯度小，热分布均匀，可带走较大的集中热载荷；换热系数大，传热效率高；单位条件的传热面积大，结构紧凑，体积小；基于冷板具
28、有上述优点,在功耗较大，且产品的空间(体积)及重量受限时，须选用冷板。冷板的组成冷板的组成：一般由封端、盖板、肋片及底版组成，各部分可采用真空钎焊、氩弧焊、镶嵌等方法组装在一起。冷板的材料：对真空钎焊成形方式 无强度要求：一般采用LY21 有强度要求：LD2(美国6061)设计原则设计原则 基板厚度一般为56mm；肋片的厚度为0.2-0.6mm，肋片间距0.5-5.0mm；当换热系数大时，宜选用厚和低的肋片；当换热系数小时，宜选用薄和高的肋片。冷板肋片的结构形状：有平直形、锯齿形、多孔形、波形，当冷板表面与环境之间温差较大时，宜选用平直形肋片(如三角肋、矩形肋)；当冷板表面与环境之间温差较小时
29、，宜选用锯齿肋。11/14/202239v设计准则 自然冷却条件下，散热器表面的热点温升小于50。强迫风冷条件下，散热器表面的热点温升小于45。电感及变频器的表面温升小于50。模块进出口风温小于20。PCB表面的热点温升小于30。11/14/202240风扇的种类 按工作类型分：有轴流风扇和离心风扇、混风扇三类。轴流风机：风量大，压头小，噪音小 离心式风机：风压较高，一般适应于阻力较大的发热元器件或机柜冷却 按轴承类别分：有滚动轴承及含油轴承(轴瓦轴承)两类，由于含油轴承的使用寿命比滚动轴承低的多，一般电子设备均采用滚动轴承。按输入电源类型分：有直流风扇和交流风扇两大类。11/14/20224
30、1v直流风扇与交流风扇的比较交流，不需辅 助电源直流，须 增加辅助电源输 入电源a、线圈：由于线圈发热，引起稳定升高，容 易导致绝缘不良，耐压不良，断线及短路(绝缘薄膜熔化)现象。b、轴承：由 于润滑油发热挥发，磨损增大，导致转速上不去，速度不均 匀，噪音增大，再启动不良。a、线圈：由于线圈发热，引起稳定升高，容易导致绝缘不良，耐压 不良，断线及短路(绝缘薄膜熔 化)现象。b、PCB：由于过压引 起转速过高，轴承 磨损增大，器件损坏。c、轴承：由于润滑油发热挥发，磨损 增大，导致转速上不去，速度 不均匀，噪音增大，再启动不 良。影 响寿命的因素10203070效 率风扇的力矩曲 线为非线性，在
31、局部区域内容 易出现工作不稳定(当 载荷曲线与相切时)，启动力矩小，容易 出现不能启动的现象，如图2所 示风扇的力 矩曲线为线性，在整个区域内 工作稳定，启动力矩大，不容 易出现不能启动的现象，如图 1所 示风 扇特性曲线线圈绕组多，发热大，温度上升较快，寿命 短线圈绕组 少，温度上升较慢，寿命长温 度上升率转子重，转速 低，一般转速小于3000RPM，风量低由于转子 轻，转速高，风量大转 速AC FANDC FAN11/14/202242v风扇定律Q NP N2 W N3 For constant N and Q:P and W For constant P:N,Q and W 1/sqrt
32、()vQ is independent of density.Therefore at different altitude,fan has same Q capacity.vQ varies linearly with rotation speed.11/14/202243v 吹风与抽风方式的选择原则 优先采用吹风方式，吹风有如下优点优先采用吹风方式，吹风有如下优点：风量相对较集中，可以以较大的风速针对局部区域进行集中冷却。能够有效防止风扇马达过热，提高风扇的使用寿命。可以以较大的压力迫使灰尘不能够在机箱内聚积，而通过出风口或缝隙流出。只有在以下情况下才选择抽风只有在以下情况下才选择抽风：希
33、望流场规则或呈现层流。进风口无法安装风扇。不希望风扇马达加热空气而对后面的元器件产生影响。不希望热风吹到客户。11/14/202244v风扇曲线及风扇的工作点11/14/202245v风扇的串联与并联流量：Q=Q1+Q2静压：P=P1=P211/14/202246v海拔高度对风扇性能的影响 由于体积流量只与风扇的转速成正比，所以，体积流量不受海拔高度的影响。由于质量流量正比于空气的密度，而空气的密度随海拔高度的升高而逐渐降低，所以质量流量也会随海拔高度的升高而逐渐降低。由于压力正比于空气的密度，而空气的密度随海拔高度的升高而逐渐降低，所以压力也会随海拔高度的升高而逐渐降低。(P0)altitu
34、de=(P0)Sea Level(altitude/Sea Level)11/14/202247风扇的基本知识v海拔高度对风扇曲线及工作点的影响QPHigh AltitudeCurveSea Level Curve11/14/202248风扇的基本知识v海拔高度对系统阻力的影响QHigh AltitudeCurveSea Level CurveP k vm11/14/202249风扇的基本知识v如何修正海拔高度对散热的影响？T altitudeMultiplier T Sea Level Altitude(feet)Multiplier 0 (Sea level)1.0 3000 1.1 50
35、00 1.14 7000 1.17 8350 1.2 11/14/202250风扇的基本知识v 风扇的安装原则 设备中最大损耗的元器件应靠近出风口。保证进风口或出风口面积大于风扇的通风面积。保证空气流通并能够以较大的风速流过较热的区域。避免在两个热点之间用一个小风扇来冷却。温度敏感的元器件应尽量靠近风扇入口。尽可能采用吹风以防止灰尘聚积。尽可能采用空隙率较大的防尘网以减小阻力。保证风扇工作的风扇曲线的安全区，严禁风扇工作在曲线的拐点附近。对吹风的情况，为了避免风扇的SWIL的影响，风扇与最近的障碍物间至少保证一个风扇的距离。11/14/202251风扇的基本知识v风扇的安装原则11/14/20
36、2252风扇的基本知识v风扇的安装原则 风扇安装在系统中，由于结构限制，进风口和出风口常常会受到各种阻挡，其性能曲线会发生变化，如图4-5所示。由图中可以看出，风扇的进出风口最好与阻挡物有40mm的距离，如果有空间限制，也应至少有一个风扇的厚度。11/14/202253热界面材料v为什么要用热界面材料？通常元器件及散热器表面总是凸凹不平，甚至呈扭曲状，当两个面连接时，接触只发生在最高点，低点形成充满空气的空隙，而空气的导热系数非常小，导致接触面的接触热阻非常大。使用热界面材料可以消除低点的空气空隙，而热界面材料的导热系数通常是空气的10倍以上，从而可以减小界面的接触热阻。11/14/20225
37、4热界面材料v 热界面材料的种类 不绝缘的热界面材料 硅脂硅脂：导热硅脂是一种用硅聚合物所制成的复合性油脂，内含高度分散及经微粉化的金属氧化物，其基本成分为有机硅材料化合物和合适的稠化剂，导热系数大于0.5W/m.k。硅脂不易清洁，很难保证涂敷周围的干净、整洁。但由于其价格低廉，广泛应用于电子产品中。相变材料相变材料：材料在达到其融化温度后发生相变，变成易流动的滑脂状，在较小压力的作用下迅速填充满两接触面间的空隙，从而减小接触热阻。目前其相变温度有45和60两种，其热阻特性值小于0.05-in2/W，其压力通常只要几个PSI。相变材料由于操作中易保持周围清洁，且对安装压力不敏感，因此成为硅脂的
38、替代材料。但由于其价格昂贵及储存特殊，目前未获的推广应用。11/14/202255热界面材料v热界面材料的种类 具有电绝缘性能的热界面材料 热胶带热胶带：是一种用聚丙烯或硅酮作为粘接剂的导热胶带，一般采用氧化铝或二硼化钛填料涂在KAPTON膜、铝箔玻璃钎维、多孔铝网上。主要应用于无法采用螺钉紧固的场合，其导热性能一般都较差。陶瓷基片陶瓷基片：有三氧化二铝陶瓷及氮化铝陶瓷之分，氮化铝陶瓷基片的导热性能可与铝型材篦美，但由于其价格通常为三氧化二铝陶瓷的35倍，所以未获普遍应用。三氧化二铝陶瓷的导热系数为27w/m.k，其价格较低，但其易碎的致命弱点导致其逐渐被导热绝缘膜取代。云母云母：早期主要的导
39、热绝缘材料，其导热系数为0.5w/m.k，目前已完全被替代。11/14/202256热界面材料v热界面材料的种类 具有电绝缘性能的热界面材料 导热绝缘膜导热绝缘膜：导热绝缘材料一般由基片/基材及填充料构成，基片/基材主要是为了物理加强，提高介电强度，基片/基材的种类有玻璃纤维、介电质料及聚脂、硅橡胶或它们的组合。填充料是为了改善导热绝缘材料的导热性能而填入的高导热性能物质，如Al2O3、BN，BeN等。间隙材料间隙材料：是一种低模量（软）、热传导的硅合成橡胶，应用于较大或变化的间隙处。11/14/202257热界面材料v 导热绝缘材料的选择与使用 选择材料前，要先计算出允许热阻是多少，然后根据
40、允许热阻参照我们的优选库或供应商的技术资料来选择，材料的许用热阻按下式计算：Rth=T/P 其中：Rth导热绝缘材料的许用热阻，/W;T元器件与散热器间允许的温升，P元器件的损耗，W 确定材料的热性能 从供应商提供的样本中初选一种材料，查出其热阻特性值Zth。根据应用条件(主要指器件的封装尺寸)确定材料的外尺寸。计算出导热绝缘材料的面积F 确定规定尺寸下材料的热阻 Rth=Zth/F如果RthRth,则符合热设计要求，否则重新选择材料，重复以上步骤。11/14/202258热界面材料v导热绝缘材料的选择与使用案例1在HD481003模块中，散热器表面温度在40的环境条件下为75，采用TO247
41、封装的MOS管损耗为30W，器件的最高结温为TjMAX=150，热阻为1.0/W，元器件的降额按80考核，请选择一种合适的导热绝缘材料。第一步：规格书允许元器件工作结温最大为：Tj=Tjmax80%=120 ;第二步：器件的壳温为：Tc=Tj-PRjc=120-301.0=90;第三步：确定材料的许用热阻：Rth=T/P(TCTS)/P =(90-75)/30=0.5/W第四步：确定材料的尺寸及面积 对于TO247封装，外协尺寸为：2.1461.626cm F=2.1461.626=3.5cm2第五步:初步选定贝格斯公司的SP2000，其热阻特性值 Zth0.2-in2/W=1.29-cm2/
42、W第五步:确定该材料的热阻值 Rth=Zth/F1.29/3.5=0.37/W5 样品的任何一表面与箱壁间距大于20cm.如果采用强迫空气循环，风速小于0.5m/s.温度测试的项目 设备内部环境温度 机箱表面温升（自然对流换热时测量）关键元器件和发热元器件的表面温升 散热器和冷板的热点温升 冷却空气入口温度与出口温升 温度稳定：当设备处于工作状态时，设备中发热元器件表面温度每小时变化波动范围在1内时，称温度稳定11/14/202261热设计的验证方法v温度测试 测点的布置方法（一）环境温度的测点布置环境温度的测点布置 自冷:设备外部环境温度的测试点应布设在距各主要表面80mm处。高度大于800
43、mm的设备，在侧面高度方向上应均匀布置2点以上的测点。强迫风冷（使用风扇）：外部环境温度可在距离空气入口80200mm的地方测量一点或多点即可。机箱表面的测点布置：机箱表面的测点布置：机箱表面温度测点应布置在机箱各表面几何中心，如果机柜高度大于800mm，则在侧面高度方向上应均匀布置2点以上的测点。使用强迫风冷散热的机柜可以不必测量表面温度。设备风道的进、出口处的测点布置要求：设备风道的进、出口处的测点布置要求：冷却空气入口、出口温度的测点，应尽量在入口、出口处与风速方向垂直的截面内布置若干个测点，各取平均值。如果时间和热电偶充足，最好在设备内部气流的主通道上（各插框单板间，插框与插框间），沿
44、空气流动方向均布若干个测点。11/14/202262热设计的验证方法1.温度测试2.测点的布置方法（二）3.元器件表面温度的测点布置方法元器件表面温度的测点布置方法4.测点布置的原则：将测点布置在元器件温度最高或较高的热点上，这些点通常在距离元件内部发热点最近或散热条件最差的地方。5.扁平封装的集成芯片：发热平面的几何中心。6.半导体功率晶体管管壳温度：布置在管座距管芯最近的热点位置上。一般来说，不导热紧固件与元件表面接触的缝隙是难以散热的位置；元件表面印字的位置距离管芯发热点较近。7.功率电阻器：垂直放置的，应布置在垂直高度的2/3处；8.水平放置的，布置在中间位置。9.电容元件表面温度：1
45、0.金膜电容引脚与电容体连接的部位是温度较高的位置。11.电解电容最好能将顶部塑料壳割开，测试铝壳的温度。12.11/14/202263热设计的验证方法v温度测试 测点的布置方法（三）电磁元件表面温度：布置在距离散热通道最远的地方，而且应该分别测试磁芯和线包的温度，以分别得出铜损和铁损的参考值。有可能的话，将测点布置在线包的最内层和磁芯的内部，如果以上测点实现起来较困难，则可以在表面散热条件最差的位置布置测点，测得结果需要再加上10的经验值。对于温度临界或对温度敏感的元器件表面温度：一般应在元器件表面热点附近布置两个测点，其值应取大者；如果需要测试布置在散热器上的温度继电器的动作温度，一般选择
46、散热器距离温度继电器最近的位置布置两个以上测点，取最大值。散热器：布置在散热器基板上对应于元器件发热中心的位置，不能布置在翅片上。11/14/202264热设计的验证方法v温度测试 测试仪器 温度测量仪器包括热电偶、玻璃温度计、示温漆和示温蜡、电阻温度计、热敏电阻、光学温度计、红外扫描系统等。与热电偶配套的检测仪表：热电偶的温度检测通常采用多路采集器，如FLUKE公司的Hydra logger 及日本恒河公司的DR230系列等。测试精度为0.1。.玻璃温度计：玻璃液体温度计通常用来测量流体温度和校准其它的测温仪器如热电偶等。玻璃温度计的精度可以达到0.01。示温漆与示温蜡：示温漆是一种随温度变
47、化而变化的漆，漆的颜色变化达四种之多，不同的颜色代表不同的温度。示温漆还可以用于显示某个区域的温度场及热流模式。示温蜡是在特定的温度下熔化的蜡状物质，从而显示出温度。示温漆与示温蜡的精度较差，一般在5(9).电阻温度计：电阻温度计与热电偶的原理及用途相似，两者均因辐射影响而产生误差。其精度为0.1。.热敏电阻：热敏电阻遵循电阻测温学的原理，由于它的温度系数很大，所以灵敏度高得多，其缺点是容易老化，需进行定期校准，其测试精度为0.1。光学温度计、红外扫描系统等：光学温度计、红外扫描系统均通过测量一个热源的红外辐射而得到温度。其测试精度最高可以达到0.3。由于测量时必须准确知道被测表面的发射率且要
48、求被测表面必须可见，限制了它们的使用。11/14/202265热设计的验证方法v温度测试 热电偶 热电偶的选择：热电偶的种类较多，就通信设备来讲，由于我们设备的温度一般低于200以下，在该范围内铜-康铜或镍铬-康铜热电偶具有较高的精度，为K型热电偶，其分度值应符合GB 2903和GB 4993的规定。热电偶的测试精度为0.1。热电偶的焊接方法：通常采用熔焊的方法把铜-康铜或镍铬-康铜焊接在一起，不允许采用把铜-康铜司粘接铰在一起的方法。热电偶的粘接方法及减小测量误差的措施：热电偶采用导热胶粘接粘贴在被测表面，为了保证测试结果的精度，热电偶探头固定在测温表面上时，必须将一段热电偶导线沿测温表面的
49、等温线 布置，这样可以消除热电偶导线本身导热而导致的测量误差。导线长度应大于10mm，如图13所示611/14/202266热设计的验证方法v温度测试热电偶 热电偶探头固定在测温表面上时，最好是将感温端焊成一个焊球与被测表面点接触，在工作中如果做不到的话，也可以将一段热电偶导线沿测温表面的等温线 布置，这样便于热电偶的固定，而且热电偶本身导热带来的测试误差也比较小。粘贴胶为乐泰胶水LOCTITE416（编码XA210009）和乐泰催化剂LOCTITE7452（编码XA210008）。粘贴方法：手握热电偶感温端的导线，将感温端置于被测面上，并保证热电偶感温端与被测表面的紧密接触；另一手将少量乐泰
50、胶滴在感温端上，然后尽快取适量的催化剂，将其涂刷于乐泰胶上面，维持510秒，确定热电偶感温端已被固定在被测面上后松开。胶水是绝缘的，在测试时可放心使用。11/14/202267热设计的验证方法v风速测试 空气流速测量内容：(1)风道入口空气流速；(2)风道出口空气流速；(3)主要单板间和空槽位处的风速；空气流速测量仪器：通常使用的风速计有翼型风速计及热电式风速计两种。翼型风速计：翼型风速计是由装在一个轴上的许多叶片组成的。它通过齿轮传动机构或信号发生器与某个经过校准的装置耦合。气流的力量使叶片转动，其转速与气流速度成正比。其测试精度为0.1m/s，典型的型号如台湾生产的AM402。热电式风速计
