1、北京航空航天大学付桂翠热设计基本知识热设计理论基础热设计的方法热分析热试验电子设备热设计u 热对系统可靠性的影响热对系统可靠性的影响u 热设计的目的热设计的目的u 热设计的有关概念热设计的有关概念u 热控制的基本形式热控制的基本形式热设计基本知识热对系统可靠性的影响高温对大多数元器件将产生严重影响，它导致元器件高温对大多数元器件将产生严重影响，它导致元器件性能改变甚至失效，从而引起整个电子设备的故障。性能改变甚至失效，从而引起整个电子设备的故障。0.100.050.150.200.30050100 150 200电阻可变电阻晶体管(硅50%)微电子器件(双级数字电路)微电子器件(CMOS器件)
2、故障率(故障数F/106h)温度()热对系统可靠性的影响元器件类别元器件类别 基本失效率，基本失效率，bb（1010-6-6/h/h）温升温升T T（）高温与室温高温与室温失效率之比失效率之比高高 温温室室 温温PNPPNP硅晶体管硅晶体管0.0630.063（在（在130130和和应力比应力比0.30.3）0.00960.0096（在（在2525和应力和应力比比0.30.3）1051057:17:1NPNNPN硅晶体管硅晶体管0.0330.033（在（在130130和和应力比应力比0.30.3）0.00640.0064（在（在2525和应力和应力比比0.30.3）1051055:15:1玻璃
3、电容器玻璃电容器0.0470.047（在（在120120和和应力比应力比0.50.5）0.0010.001（在（在2525和应力和应力比比0.50.5）959547:147:1变压器与线圈变压器与线圈0.02670.0267（在（在8585）0.00080.0008（在（在2525）606033:133:1碳膜合成电阻器碳膜合成电阻器0.00650.0065（在（在100100和和应力比应力比0.50.5）0.00030.0003（在（在2525和应力和应力比比0.50.5）757522:122:1不同工作温度部分元器件的基本失效率不同工作温度部分元器件的基本失效率(摘自摘自GJB/Z 299
4、B）热对系统可靠性的影响 平均故障间隔时间（平均故障间隔时间（MTBFMTBF）是表征电子设备可靠性的一个主要）是表征电子设备可靠性的一个主要参数，当电子设备寿命呈指数分布时，其平均故障间隔时间：参数，当电子设备寿命呈指数分布时，其平均故障间隔时间：该式中：该式中：以金属膜电阻器为例：以金属膜电阻器为例：金属膜电阻器的工作失效率计算公式如下：金属膜电阻器的工作失效率计算公式如下：RQEbppnPPP 21PMTBF1热对系统可靠性的影响摘自摘自 美空军整体计划分析报告美空军整体计划分析报告热量产生的原因电子设备经受的热应力来源于以下几个方面电子设备经受的热应力来源于以下几个方面：（1 1）工作
5、过程中，功率元件耗散的热量。）工作过程中，功率元件耗散的热量。（2 2）电子设备周围的工作环境，通过导热、对流和辐射的形式，将热量）电子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。传递给电子设备。（3 3）电子设备与大气环境产生相对运动时，各种摩擦引起的增温。）电子设备与大气环境产生相对运动时，各种摩擦引起的增温。热设计的目的热设计的有关概念（1 1）热设计）热设计 利用利用热传递特性热传递特性通过通过冷却装置冷却装置控制电子设备内部所有电子元器件的控制电子设备内部所有电子元器件的温度温度，使其在设备内所处的工作环境条件下，不超过规定的最高允许温度的设计技术。使其在设
6、备内所处的工作环境条件下，不超过规定的最高允许温度的设计技术。（2 2）热评估）热评估：评估电子设备热设计是否合理的：评估电子设备热设计是否合理的方法和手段方法和手段。（3 3）热分析）热分析 又称热模拟，是利用数学的手段，通过计算机模拟，在电子设备的设计阶又称热模拟，是利用数学的手段，通过计算机模拟，在电子设备的设计阶段获得温度分布的方法，它可以使电子设备设计人员和可靠性设计人员在设计段获得温度分布的方法，它可以使电子设备设计人员和可靠性设计人员在设计初期就能发现产品的热缺陷，从而改进其设计，为提高产品设计的合理性及可初期就能发现产品的热缺陷，从而改进其设计，为提高产品设计的合理性及可靠性提
7、供有力保障。靠性提供有力保障。（4 4）热试验）热试验：将电子设备置于模拟的热环境中，测量其温度或温度分布。：将电子设备置于模拟的热环境中，测量其温度或温度分布。热设计的有关概念（5 5）热流密度热流密度 单位面积的热流量。单位面积的热流量。（6 6）体积功率密度体积功率密度 单位体积的热流量。单位体积的热流量。（7 7）热阻热阻 热量在热流路径上遇到的阻力（内热阻、外热阻、系统热量在热流路径上遇到的阻力（内热阻、外热阻、系统热阻）热阻）。温差越大，热流量就越大。温差越大，热流量就越大。T TRQ RQ 热阻的单位是热阻的单位是/W/W。热设计的有关概念热设计的有关概念（8 8）热阻网络热阻网
8、络 热阻的串联、并联或混联形成的热流路径图。热阻的串联、并联或混联形成的热流路径图。（9 9）功耗）功耗 电子设备工作时需要电功率，因为元器件并非完全电子设备工作时需要电功率，因为元器件并非完全有效，因而有不少功率转换成热。如果找不到一条通有效，因而有不少功率转换成热。如果找不到一条通路来散热，温度就会升高。最重要的热流量是功耗。路来散热，温度就会升高。最重要的热流量是功耗。（1010）冷板冷板 利用单相流体强迫流动带走热量的一种换热器。利用单相流体强迫流动带走热量的一种换热器。（1111）热沉）热沉 是一个无限大的热容器，其温度不随传递到它的是一个无限大的热容器，其温度不随传递到它的热能大小
9、而变化。它可能是大地、大气、大体积的水热能大小而变化。它可能是大地、大气、大体积的水或宇宙等。又称热地。也称或宇宙等。又称热地。也称“最终散热器最终散热器”。Heat Heat SinkSink热设计的有关概念热设计的有关概念热设计的有关概念热设计的有关概念热设计的有关概念热路与电路 R=U/IR1R2R3UIRt1Rt2Rt3t/qThermal Sink(environment)Rt=t/Q-重力加速度，m/s2接触热阻：当热通过两个接触表面的交界面时，出现一种导热的特殊情形。采用具有低热阻的散热片加大机箱表面积A失效率换算系数；电子设备工作时需要电功率，因为元器件并非完全有效，因而有不少
10、功率转换成热。Diamond 16002300（与 的强度、流体的性质、空间、大小、壁面的大小等因素有关。简单地说：导热的产生必需具备二个条件：和相互接触。-机箱顶面面积，m2采用具有低热阻的散热片加大机箱表面积传热的基本方式有三种：传导、对流和辐射、一般来说，这三种形式在电子系统的热传输中分别占60%，20%和20%。TRQ 热阻的单位是/W。强迫对流 forcedK材料的导热系数 W/m oC 材料种类、温湿度、结构形式、密度、比热等。-气体的体胀系数，-1；结果产生压力损失或压力下降。机箱表面和环境空气之间的温差-气体的动力粘度，Pas热阻与热流量和温度的关系 降低热耗降低热耗 器件的热
11、耗一般受器件厂工艺水平的制约器件的热耗一般受器件厂工艺水平的制约 VLSI VLSI 的总热耗一般低于的总热耗一般低于 NPN NPN 器件的热耗，但从热流密度的角器件的热耗，但从热流密度的角度看，不可一概而论。度看，不可一概而论。控制周围环境向器件的热量传递。控制周围环境向器件的热量传递。从结构措施上减小动力增温（如从结构措施上减小动力增温（如 摩擦热的传输等）。摩擦热的传输等）。内热阻内热阻通常指芯片级的冷却技术，是今后通常指芯片级的冷却技术，是今后VLSIVLSI的发展方向。的发展方向。外热阻外热阻指传统的冷却技术，如风冷、液冷、相变冷却，热管传热等。指传统的冷却技术，如风冷、液冷、相变
12、冷却，热管传热等。Rt=t/Q热设计基本考虑内热阻的控制 多芯片模块（多芯片模块（multichip-modulemultichip-module）微热管微热管(micro-heatpipe)(micro-heatpipe)传热传热 内热阻：内热阻：芯片的芯片的 PN PN 结结 封装壳体封装壳体 (导热、对流导热、对流)也称也称“芯片组导热模块芯片组导热模块”，通过导热、辐射将热量传至封装表面，再，通过导热、辐射将热量传至封装表面，再进行冷却。进行冷却。特点：特点：尺寸小、重量轻、信号处理速度快、延迟时间小。尺寸小、重量轻、信号处理速度快、延迟时间小。微通道散热器（微通道散热器（级通道，冷却
13、剂可直接通过级通道，冷却剂可直接通过）m外热阻的控制（1 1）散热技术）散热技术 肋片式散热器肋片式散热器,强迫空气冷却强迫空气冷却,液体冷却液体冷却 ,相变冷却相变冷却(沸腾、蒸发、升华沸腾、蒸发、升华)（2 2）制冷技术）制冷技术 温差电制冷温差电制冷 ,液氮制冷液氮制冷 ,压缩制冷压缩制冷 ，相变制冷，相变制冷（3 3）恒温技术）恒温技术 隔热材料保温隔热材料保温,可控式恒温可控式恒温 ，关键技术是温度的控制，关键技术是温度的控制（4 4）热管传热）热管传热 热设计理论基础传热学 传热的基本方式有三种：传导、对流和辐射、一般来传热的基本方式有三种：传导、对流和辐射、一般来说，这三种形式在
14、电子系统的热传输中分别占说，这三种形式在电子系统的热传输中分别占60%，20%和和20%。导 热 因物质的原子和分子之间的随机运动而导致的从高能因物质的原子和分子之间的随机运动而导致的从高能级级低能级的一种能量传输过程。简单地说：导热的产生低能级的一种能量传输过程。简单地说：导热的产生必需具备二个条件：必需具备二个条件：和相互接触。和相互接触。t=k A t/n (w)q=k t/n (w/m2)导热的基本定律：导热的基本定律：Fourier Fourier 定律定律K K材料的导热系数材料的导热系数 W/mW/m o oC C 材料种类、温湿度、结构形式、密度、比热等材料种类、温湿度、结构形
15、式、密度、比热等 。材料名称导热系数(20)W/(m)密度(20)kg/m3比热(20)J/(kg)铝铝2042707921金金29219272126铜铜3308939385铁铁737898452银银41910524234尼龙尼龙0.170.411211075环氧树脂环氧树脂0.41041不同材料的导热特性Diamond 16002300 表面状况接触热阻104(m2k/w)金 属 与 金 属干接触高3.55中2.58低0.90涂硅脂高2.32中1.29低0.48导热衬垫高1.10中0.65低0.32垫铟片（厚0.005mm)干接触高0.58中0.45低0.32接触热阻实例对流换热定义：定义：
16、流动的流体与其相接触的物体（固体、流体、汽体），流动的流体与其相接触的物体（固体、流体、汽体），由于温差的原因所产生的能量与热量的传递过程。由于温差的原因所产生的能量与热量的传递过程。靠自然力靠自然力 密度差引起。密度差引起。（与 的强度、流体的性质、空间、大小、壁面的大小等因素有关。）受强制力（如风机、泵）推动而引起的流受强制力（如风机、泵）推动而引起的流动。动。（推力的大小、（压差）、流体的性质、流道的尺寸大小等阻力因素有关。）t流体的流动特征自然对流 natural强迫对流 forced对流方式层流 laminar紊流 turbulent流动状态层流：流线有规则，大都发生在贴近 壁面附近
17、的流层。（导热产生的换热为主）紊流：层流底层以外（边界层以外）所发生的流体不规则流动。对流换热的基本定律对流换热系数对流传热系数的数值范围对流传热系数的数值范围 过过 程程h/W(m2k)自然对流自然对流 空气空气 水水1102001000强迫对流强迫对流 气体气体高压水蒸气高压水蒸气 水水201005003500100015000水的相变换热水的相变换热 沸腾沸腾 蒸汽凝结蒸汽凝结25003500500025000辐射换热基本特征辐射换热的基本定律黑体辐射力计算公式：黑体辐射力计算公式：热设计方法 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电子产品热设计应首先根据设备的可靠性指标及设
18、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、印制电路板散热结构的设计和机箱散热结构的设计。装与布局、印制电路板散热结构的设计和机箱散热结构的设计。常见的热设计流程见图所示。常见的热设计流程见图所示。热设计流程热设计流程热设计目标的确定 热设计目标通常根据设备的可靠性指标与设备的工热设计目标通常根据设备的
19、可靠性指标与设备的工作环境条件来确定，已知设备的可靠性指标，依据作环境条件来确定，已知设备的可靠性指标，依据GJB/GJB/299B299B19981998电子设备可靠性预计手册电子设备可靠性预计手册中元器件失效中元器件失效率与工作温度之间的关系，可以计算出元器件允许的最率与工作温度之间的关系，可以计算出元器件允许的最高工作温度，此温度即为热设计目标。工程上为简便计高工作温度，此温度即为热设计目标。工程上为简便计算，通常采用元器件经降额设计后允许的最高温度值做算，通常采用元器件经降额设计后允许的最高温度值做为热设计目标。为热设计目标。热设计目标的确定根据可靠性预计确定热设计目标根据可靠性预计确
20、定热设计目标 施加在电子元器件上的电应力热应力大小直接影响电子施加在电子元器件上的电应力热应力大小直接影响电子元器件的基本失效率。元器件的基本失效率。b=AexpNT/273+T+(b=AexpNT/273+T+(T)Sexp273+T+(T)Sexp273+T+(T)S/TMPT)S/TMP 式中式中 A A失效率换算系数；失效率换算系数；NTNT、PP器件中的形状参数；器件中的形状参数；TT工作温度工作温度(环境或壳温环境或壳温)，；TTMTTM与额定功率点最高允许温度之差，与额定功率点最高允许温度之差，；SS应力比或降额因子。应力比或降额因子。热设计目标的确定 工程上为简便计算，通常采用
21、元器件经降额设计工程上为简便计算，通常采用元器件经降额设计后允许的最高温度值做为热设计目标。后允许的最高温度值做为热设计目标。降额参数降额参数降降 额额 等等 级级频频 率率0.800.800.900.900.900.90输出电流输出电流0.800.800.900.900.900.90最高结温最高结温8585100100115115双极型数字电路降额准则双极型数字电路降额准则常用冷却方法的选择和设计要求 电子设备的冷却方法包括自然冷却、强迫空气冷却、强迫电子设备的冷却方法包括自然冷却、强迫空气冷却、强迫液体冷却、蒸发冷却、热电致冷液体冷却、蒸发冷却、热电致冷(半导体致冷半导体致冷)、热管传热和
22、其、热管传热和其它冷却方法（如导热模块、冷板技术等）。其中自然冷却、强它冷却方法（如导热模块、冷板技术等）。其中自然冷却、强迫空气冷却、强迫液体冷却和蒸发冷却是常用的冷却方法。迫空气冷却、强迫液体冷却和蒸发冷却是常用的冷却方法。自然冷却直接液体冷却蒸发冷却强迫空气冷却0.040.08(最大)0.611.22最大最大160W/cm2(强迫液体冷却，大温差)00.8(最大800W/cm2，大温差)1.6冷却方法冷却方法热流密度（热流密度（W/cmW/cm2 2）自然对流自然对流0.080.08强迫风冷强迫风冷0.30.3空气冷却板空气冷却板1.61.6液体对流冷却液体对流冷却0.50.5液体冷却板
23、液体冷却板160160蒸发冷却蒸发冷却770770常用冷却方法的热流密度常用冷却方法的体积功率密度自然散热强迫风冷直接液冷蒸发冷却金属导热0.009最大0.30.1220.4250.611.22体积功率密度(W/cm3)常用冷却方法的优选顺序：自然散热、强迫风冷、液体冷却、蒸发冷却常用冷却方法的优选顺序：自然散热、强迫风冷、液体冷却、蒸发冷却 冷却方法的选择示例 功耗为功耗为300W300W的电子组件，拟将其安装在一个的电子组件，拟将其安装在一个248mm248mm381mm381mm432mm432mm的机柜里，放在正常室温的空气中，的机柜里，放在正常室温的空气中，是否需要对此机柜进行特殊的
24、冷却措施？是否可以把此机是否需要对此机柜进行特殊的冷却措施？是否可以把此机柜设计得再小一些？柜设计得再小一些？首先计算该机柜的体积功率密度和热流密度。首先计算该机柜的体积功率密度和热流密度。体积功率密度体积功率密度：热流密度热流密度：)/(0073.02.431.388.243003cmWVv)/(04.07500300)2.431.382.438.241.388.24(23002cmWS 由于体积功率密度很小，而热流密度值与自然空气冷却的由于体积功率密度很小，而热流密度值与自然空气冷却的最大热流密度比较接近，所以不需要采取特殊的冷却方法，而最大热流密度比较接近，所以不需要采取特殊的冷却方法，
25、而依靠空气自然对流冷却就足够了。依靠空气自然对流冷却就足够了。若采用强迫风冷，热流密度为若采用强迫风冷，热流密度为3000W/m3000W/m2 2，因此，采用风冷，因此，采用风冷时，可以把机柜表面积减小到时，可以把机柜表面积减小到0.1m0.1m2 2(自然冷却所需的表面积为自然冷却所需的表面积为0.75m0.75m2 2)。冷却方法的选择示例影响自然对流冷却的因素：影响自然对流冷却的因素：n印制板的间距印制板的间距n电子元件耗散功率电子元件耗散功率n自然对流换热表面传热系数自然对流换热表面传热系数n机箱表面和环境空气之间的温差机箱表面和环境空气之间的温差n机箱表面积机箱表面积自然对流冷却设
26、计印制板之间的合理间距印制板之间的合理间距1/42.714/optbP对于竖直平行板（如右图），其最佳对于竖直平行板（如右图），其最佳间距为：间距为：式中：式中：-比定压热容，比定压热容，kJ/(kgK)；-空气平均密度，空气平均密度，kg/m3-重力加速度，重力加速度，m/s22()/()pVPcgtL-板与空气的温差，板与空气的温差，；-气体的动力粘度，气体的动力粘度，Pas-气体的导热系数，气体的导热系数，W/(mK)-气体的体胀系数，气体的体胀系数，-1；竖直安装的电路板，其最小间距应为竖直安装的电路板，其最小间距应为19mm19mm。工程上为简便计算，通常采用元器件经降额设计后允许的
27、最高温度值做为热设计目标。采用具有低热阻的散热片加大机箱表面积机箱表面和环境空气之间的温差紊流 turbulent辐射：是真空中进行传热的唯一方式，它是量子从热体电子设备经受的热应力来源于以下几个方面：6710-8W/(m2K4)-气体的体胀系数，-1；第三项为通过通风孔散失的热量。又称热模拟，是利用数学的手段，通过计算机模拟，在电子设备的设计阶段获得温度分布的方法，它可以使电子设备设计人员和可靠性设计人员在设计初期就能发现产品的热缺陷，从而改进其设计，为提高产品设计的合理性及可靠性提供有力保障。（辐射体）到冷体（吸收体）的转移。-机箱侧面面积，m2辐射：是真空中进行传热的唯一方式，它是量子从
28、热体第三项为通过通风孔散失的热量。图1 元器件的失效率与温度的关系摘自 美空军整体计划分析报告多芯片模块（multichip-module）降低接触热阻的有效方法：接触面积大；采用具有低热阻的散热片加大机箱表面积采用具有低热阻的散热片加大机箱表面积增大机箱表面积增大机箱表面积采用开式机箱的换热采用开式机箱的换热开式机箱指开有通风孔的机箱，结构及热路图如下图：开式机箱指开有通风孔的机箱，结构及热路图如下图：开式机箱的总换热量计算公式开式机箱的总换热量计算公式1.25342331.86()4TstbmrpQAAAtT AtcAu t 式中：第一项为自然对流换热量；第二项为辐射换热量；式中：第一项为
29、自然对流换热量；第二项为辐射换热量；第三项为通过通风孔散失的热量。第三项为通过通风孔散失的热量。sA-机箱侧面面积，机箱侧面面积，m2tA-机箱顶面面积，机箱顶面面积，m2bA-机箱底面面积，机箱底面面积，m2-黑体辐射常数黑体辐射常数5.6710-8W/(m2K4)-机箱平均发射率机箱平均发射率采用开式机箱的换热采用开式机箱的换热机壳通风面积的计算：机壳通风面积的计算：采用开式机箱的换热采用开式机箱的换热 最大限度的利用导热、自然对流和辐射散热；最大限度的利用导热、自然对流和辐射散热；缩短传热路径，增大换热或导热面积；缩短传热路径，增大换热或导热面积；减小安装时的接触热阻，元器件的排列有利于流体的对流换热减小安装时的接触热阻，元器件的排列有利于流体的对流换热 采用散热印制电路板，热阻小的边缘导轨；采用散热印制电路板，热阻小的边缘导轨；印制板组装件之间的距离控制在印制板组装件之间的距离控制在19-21mm19-21mm；增大机箱表面黑度，增强辐射换热。增大机箱表面黑度，增强辐射换热。自然对流冷却设计要求自然对流冷却设计要求
