热设计

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1、电子设备热控制技术,赵惇殳 西安电子科技大学,电子设备热设计,热设计理论基础,热设计基本原理,液体冷却,强迫风冷,自然冷却,蒸发冷却,热电致冷,热管传热,热测试技术,电子设备热设计参考资料,1、电子设备热控制与分析,2、电子设备结构设计原理,5、GJB/Z27电子设备可靠性热设计,4、微电子设备的换热,3、电子设备冷却技术,6、Thermal computation of Electronic Equipment,7、电子机器的热对策（日文）,电子设备热控制目的,组件和设备的热流密度增长趋势,为芯片级、元件级、组件级及系统级提供良好的热环境,保证芯片级、元件级、组件级及系统级的热可靠性,防止电

2、子元器件的热失效,电子设备热环境,环境温度和压力（或高度）的极限值及变化率,太阳或周围物体的辐射值,地面设备：周围空气温度、湿度、气压、空气流 速，周围物体形状和黑度，日光照射,冷却剂种类,可利用的热沉,机载设备：飞行高度、飞行速度、安装位置，有 无空调舱，周围空气温度、速度等,舱船设备：周围空气温度、湿度，有无淡水，舱 室温度，日照情况等,热设计基本要求,满足可靠性要求,满足热环境的要求,与维修性设计相结合，易维修,与电路设计同时进行,满足对冷却系统的限制要求,根据,经济性、安全性等，选择冷却方法,尺寸、重量、冷却所需功、,热设计基本原则,保证良好的冷却功能,保证可靠性,良好的经济性,良好的

3、维修性,有良好的适应性,冷却方法选择（1）,冷却方法选择（2）,电子设备热设计理论基础,传热学 ( 传热计算),流体力学 ( 阻力计算),辐射,对流,导热,导 热,单层平壁导热,导热基本定律,温度场,导热热阻,多层平壁导热,单层圆筒壁导热,多层圆筒壁导热,接触热阻的影响因素,接触表面接触点的数量、形状、大小及分布规律,接触表面的几何形状（波纹度和粗糙度）,接触表面的硬度,间隙中介质种类（真空、液体、气体等）,非接触间隙的平均厚度,接触表面的压力大小,接触表面的氧化程度和清洁度,接触材料的导热系数,减小接触热阻的方法,加一薄紫铜片或延展好的高导热系数材料,加低熔点合金（铟合金）,提高界面间的接触

4、压力,在接触表面涂一薄层导热脂（膏）,导热的数值分析,有限元素法,有限差分法,有限差分法求解步骤,（2）讨论与该差分格式对应的线形代数方程 解的唯一性,（3）求解代数方程组，得到区域内的温度分布,（1）构成差分格式,有限元素法求解步骤,（2）写出单元的泛函表达式,（3）构造每个单元内的插值函数,（1）区域离散化,（5）构成代数方程组,（6）求解代数方程组,（4）求泛函极值条件的代数方程表达式,对流换热影响因素,流体流动发生的因素,流体流动的状态,换热面的几何形状和位置,流体的物理性质,对流换热系数,对流换热计算,准则数 名称 物理意义,定性温度：,特征尺寸,准则方程,自然对流换热计算,管内流动

5、,定性温度: 流体平均温度,特征尺寸: 管子内径或当量直径,紊流,准则方程,层流,准则方程,注:上述公式或适用于直管、长管,否则要乘相应修正系数,强迫对流换热,定性温度:,特征尺寸: 流体流动方向板或柱体的长度L,紊流,准则方程,层流,准则方程,强迫对流换热计算,沿平板流动（或沿柱体轴线流动）,对流换热的数值计算,连续方程,能量方程,动量方程,辐射换热的基本概念,吸收率,反射率,穿透率,辐射换热的基本定律,普朗克定律,四次方定律,基尔霍夫定律,实际物体的辐射和吸收,黑体的辐射,角系数,交叉线法,有效辐射,平行平板间的辐射换热,辐射换热计算,黑度: 主要取决于物体表面状态,热阻网络计算法 (两个

6、表面以上的辐射计算),表面热阻,空间热阻,两表面间,传热计算,圆筒壁,肋壁传热,肋效率：,热 阻,辐射热阻,对流热阻,导热热阻,接触传热,电子设备自然冷却设计技术,自然冷却设备的结构因素,机壳热设计,机壳通风孔面积,机壳表面处理,PCB自然冷却热设计,印制线（导体）尺寸的确定,PCB上元器件热安装技术,尽量利用DIP的引线导热,粘接技术,采用散热PCB（导热条、导热板、夹芯板）,冷热分区排列,元件排列方向有利于气流流动与冷却（阻力）,减小元件热应变的安装技术,导轨热设计,PCB热计算,均匀热负荷导热条热计算,普通PCB热计算,(1),(2),(3),(4),半导体用散热器热计算,集成电路的热分

7、析,离散热源产生的收缩效应,（1）无限大的导热介质上的圆热源,（3）长窄条热源在有限导热介质上,（2）有限大的导热介质上的圆热源,（4）短而窄热源在有限导热介质上,r1-热源半径， r2-圆柱半径,长窄条热源,收缩效应,有限大圆形导热介质,无限大圆形导热介质,短窄条热源,其中,2a-热源宽度，2b-窄条宽度，l-窄条长度 2d窄条热源长度，2c短条长度,典型微电路组装图,芯片结到外壳的传热,电子设备强迫空气冷却,单个元件风冷,整机鼓风冷却,整机抽风冷却,大机柜中屏蔽盒的通风冷却,热计算,空芯PCB风冷,PCB组件风冷,通风机工作点确定,通风机的选择,种类、特点,工作点,特性曲线,通风机串联,通

8、风机并联,结构因素对风冷效果影响,通风机位置,元件的排列,风道结构形式,热源位置,紊流器,漏风的影响,风冷设计基本原则,合理控制气流和分配气流,集中热源，单独风冷,元器件排列原则,力求对气流的阻力最小,进出口尽量远离，避免风流短路,电子设备液体冷却,直接液体冷却,蒸汽不再循环,有搅动,发热元器件浸入冷却液（无蒸发）,蒸汽再循环,元器件或组件浸入冷却液（有蒸发）,TCM技术,无搅动,间接液体冷却,冷板技术（液冷）,泵和热交换器,泵的选择,流量,压力,离心泵,泵的种类,齿轮泵,轴流式泵,热交换器的种类,列管间壁式,顺流,逆流,叉流,往复流,紧凑式,单流体冷板,热 计 算,传 热,冷流体,热流体,对

9、数平均温差,（适用于顺流逆流）,（1）由已知条件，由热平衡方程，求另一个未知温度,（2）求tm,（5）核算流体阻力,（4）由传热方程求换热面积A,（3）布置换热面，计算传热系数K,（6）若阻力偏大，则重新设计,对数平均温差法,热交换器的设计计算（1）,（1）计算传热系数K,（2）计算NTU及,（5）由热平衡方程求,（4）计算传热量,（3）计算或查表得有效度,有效度传热单元数法（ NTU）,热交换器的设计计算（2）,冷却剂,物理特性（沸点、冰点、倾斜点、闪点、燃点等）,热特性,相容性,经济性,冷却剂评价标准,自然对流,强迫对流（层流）,强迫对流（紊流）,电气特性（介电强度、体积电阻率、介电常数等

10、）,液体冷却系统的设计（1）,确定冷却方式，选择冷却剂,确定流量（或流速）,由t2根据热平衡方程确定其流量,选择二次冷却方式（热交换器类型）,确定冷流体在热交换器中的走向、确定h1和h2,确定冷、热流体的温差（t1=710，t2=5）,液体冷却系统的设计（2）,根据h1和h2及tm,确定KA值，进行设计或选择,计算阻力损失,选用管路和阀,水套设计（发射管）,由流量和阻力损失选泵,控制保护装置,冷 板,冷板结构形式,气冷式,液冷式,气冷式冷板,肋片,封端,平直形肋,锯齿形肋,燕尾形,燕尾槽形,多孔形肋,矩形,外凸矩形,冷板换热计算（1）,热平衡方程,换热方程,冷板换热计算（2）,冷板总的压力损失

11、,冷板有效度,（Ac为通道截面积， Afr为冷板截面积）,冷板校核设计（1）,温升,（肋效率）,（总效率）,冷板校核设计（2）,传热单元数,若不满足（6）（7）条件，重新计算,压力损失,初步确定结构形式及尺寸、选肋,由定性温度，确定冷却剂物性参数,定性温度 tf=(2ts+t1+t2)/4,出口温度 t2 =t1+t,冷却剂温差,通道截面积 Ac=b1S2 （S2单位宽度的通道面积）,单位面积质量流量,冷板设计计算（1）,冷板深度 D1=A/S1b1 （S1单位面积的传热面积）,压降 PP,比较AA ， PP，若不满足，重新设定 b，D值，直至符合要求,冷板设计计算（2）,电子设备的蒸发冷却,

12、原理,蒸发冷却系统的组成,汽水两相冷却,蒸发冷却的应用,蒸发冷却系统的设计计算,超蒸发冷却,热电致冷原理,塞贝克效应,珀尔帖效应,付立叶效应,焦耳效应,汤姆逊效应,热电致冷的热计算,致冷量,性能系数,最大温差,最大致冷量,最佳工作电流,材料品质因数,最佳性能系数,最佳致冷量设计程序,最佳性能系数设计方法,热电致冷器的结构及应用,结 构,特 点,应 用,毛细泵力,蒸发端,冷凝端,热管的工作原理（1）,热管的工作原理（2）,热管结构与材料,分类,蒸汽流量调节热管,过量流体热管,充气热管,结构材料,工作液（要求）,管芯（材料、要求）,管壳（材料、要求）,热管传热极限,粘性限,声速限,毛细限,沸腾限,

13、携带限,热管应用与设计,设计步骤,吸液芯参数确定（截面积AW，蒸汽通道截面积AV）,管壳设计（壁厚、封头厚度）,工作液的选择,计算工作液充装量,传热极限的校验,设计要求（工作温度、传热量、工作环境、结构尺寸、其他）,应用（管状、平板、可控热管）,电子设备热测试技术,温度测量,压力测量,流量测量,温度测量,热电偶测温（原理、制作、测试）,红外线测温仪,热敏电阻（-80200）,温度敏感涂料（381800）,液晶测温,压力与流量测量,液柱压力计（U形管、倾斜或杯式、微压计）,节流式流量计,弹簧或压力表,毕托管测流量（流速）,转子流量计,低热阻设计技术,低熔点合金填料 低热阻芯片 1.微焊接技术 2

14、有机介质. 材料 3.基板技术 4.热介质材料 低热阻优化散热器,.微焊接技术,基板技术,有机介质材料,热介质材料,高效热控制技术,微通道散热器 热管技术 相变冷却 :液体相变冷却 固体相变冷却,高效热控制技术,微通道散热器,微通道散热器组装,激光切割微通道散热器,MCM与微通道散热器,零热阻热管（1）,铰链热管（2）,微型热管（3）,仙人掌热管散热器,微型热管散热器,薄膜热电致冷,不同流体的换热系数,h (W/cm2),h (W/cm2),h (W/cm2),h (W/cm2),相变冷却（1）,相变冷却（2）,表1 降低几种传热热阻的方法,低热阻散热器优化技术,准则方程优化 遗传算法优化,表

15、1 降低几种传热热阻的方法,低热阻散热器优化技术,准则方程优化 遗传算法优化,功率器件低热阻技术,ASIC器件物理模型,芯片键合方式,(a) 丝焊 (b) TAB (c) 倒装焊,微焊接技术的影响,(a) 倒装焊芯片层温度场 (b) 丝焊芯片层温度场,(a) 倒装焊芯片层温度场 (b) 丝焊芯片层温度场,(a) 倒装焊芯片层温度场 (b) 丝焊芯片层温度场,(a) 倒装焊芯片层温度场 (b) 丝焊芯片层温度场,(a) 倒装焊芯片层温度场 (b) 丝焊芯片层温度场,焊料的影响,基板技术的影响,基板材料的影响,有机介质材料的影响,介质层通孔面积的影响,热介质材料的影响,热介质的影响,芯片功率点分布的影响,(a)位于基板中心 (b)位于基板上部,热设计标准介绍,国家标准 国家军用标准 行业标准 行业军用标准 美国热设计标准,计算机辅助热分析,国外计算机辅助热分析 国内计算机辅助热分析,