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电子设备热控制技术 赵惇殳西安电子科技大学1电子设备热设计电子设备热设计热设计理论基础热设计基本原理热设计基本原理液体冷却液体冷却强迫风冷强迫风冷自然冷却自然冷却蒸发冷却蒸发冷却热电致冷热电致冷热管传热热管传热热测试技术热测试技术2电子设备热设计参考资料电子设备热设计参考资料1、电子设备热控制与分析、电子设备热控制与分析2、电子设备结构设计原理、电子设备结构设计原理5、GJB/Z27电子设备可靠性热设计电子设备可靠性热设计4、微电子设备的换热、微电子设备的换热3、电子设备冷却技术、电子设备冷却技术6、Thermal computation of Electronic Equipment7、电子机器的热对策（日文）、电子机器的热对策（日文）3电子设备热控制目的电子设备热控制目的 组件和设备的热流密度增长趋势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为芯片级、元件级、组件级及系统级提供良好的热环境热环境保证芯片级、元件级、组件级及系统级的热可靠性保证芯片级、元件级、组件级及系统级的热可靠性防止电子元器件的热失效防止电子元器件的热失效4电子设备热环境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，日光照射速，周围物体形状和黑度，日光照射冷却剂种类冷却剂种类可利用的热沉可利用的热沉机载设备：飞行高度、飞行速度、安装位置，有机载设备：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，日照情况等室温度，日照情况等5热设计基本要求热设计基本要求满足可靠性要求满足可靠性要求满足热环境的要求满足热环境的要求与维修性设计相结合，易维修与维修性设计相结合，易维修与电路设计同时进行与电路设计同时进行满足对冷却系统的限制要求满足对冷却系统的限制要求根据根据经济性、安全性等，选择冷却方法经济性、安全性等，选择冷却方法尺寸、重量、冷却所需功、尺寸、重量、冷却所需功、6热设计基本原则热设计基本原则保证良好的冷却功能保证良好的冷却功能保证可靠性保证可靠性良好的经济性良好的经济性良好的维修性良好的维修性有良好的适应性有良好的适应性7冷却方法选择（冷却方法选择（1）自然散热（对流和辐射）自然散热（对流和辐射）强迫风冷强迫风冷浸没自然对流冷却浸没自然对流冷却强迫水冷强迫水冷浸没沸腾冷却浸没沸腾冷却1024102462241034682468224 6810-11001010-221温升温升表面热流密度表面热流密度 W/cm28冷却方法选择（冷却方法选择（2）空气空气空气空气介质液体介质液体水水介质液体介质液体水水介质液体介质液体自然散热自然散热强迫对流强迫对流蒸发冷却蒸发冷却1.16311.63116.3116311630传热系数传热系数W/m2空气流速空气流速 315m/S流体流速流体流速 0.31.5m/S9电子设备热设计理论基础电子设备热设计理论基础传热学传热学(传热计算传热计算)流体力学流体力学 (阻力计算阻力计算)辐射辐射对流对流导热导热 10 导导 热热单层平壁导热单层平壁导热导热基本定律导热基本定律温度场温度场 导热热阻导热热阻11多层平壁导热多层平壁导热单层圆筒壁导热单层圆筒壁导热多层圆筒壁导热多层圆筒壁导热12接触热阻的影响因素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）接触表面的几何形状（波纹度和粗糙度）接触表面的硬度接触表面的硬度间隙中介质种类（真空、液体、气体等）间隙中介质种类（真空、液体、气体等）非接触间隙的平均厚度非接触间隙的平均厚度接触表面的压力大小接触表面的压力大小接触表面的氧化程度和清洁度接触表面的氧化程度和清洁度接触材料的导热系数接触材料的导热系数13减小接触热阻的方法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）加低熔点合金（铟合金）提高界面间的接触压力提高界面间的接触压力在接触表面涂一薄层导热脂（膏）在接触表面涂一薄层导热脂（膏）14导热的数值分析导热的数值分析有限元素法有限元素法有限差分法有限差分法15有限差分法求解步骤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）讨论与该差分格式对应的线形代数方程解的唯一性解的唯一性（3）求解代数方程组，得到区域内的温度分布）求解代数方程组，得到区域内的温度分布（1）构成差分格式）构成差分格式16有限元素法求解步骤有限元素法求解步骤（2）写出单元的泛函表达式）写出单元的泛函表达式（3）构造每个单元内的插值函数）构造每个单元内的插值函数（1）区域离散化）区域离散化（5）构成代数方程组）构成代数方程组（6）求解代数方程组）求解代数方程组（4）求泛函极值条件的代数方程表达式）求泛函极值条件的代数方程表达式17对流换热影响因素对流换热影响因素流体流动发生的因素流体流动发生的因素流体流动的状态流体流动的状态换热面的几何形状和位置换热面的几何形状和位置流体的物理性质流体的物理性质18对流换热系数对流换热系数对流换热现象换热系数空气自然对流310气体强迫对流20100水自然对流2001000水强迫对流100015000水沸腾200025000高压水蒸汽强迫对流5003500水蒸汽凝结50001500019对流换热计算对流换热计算准则数准则数 名称名称 物理意义物理意义定性温度：定性温度：特征尺寸特征尺寸20准则方程准则方程竖放平竖放平板柱体板柱体 水平板水平板(热面朝上热面朝上)水平板水平板(热面朝下热面朝下)109109210721073105 31010流态流态层流层流紊流紊流层流层流紊流紊流层流层流C0.100.590.540.150.27n1/41/31/41/31/4特征尺寸特征尺寸高度高度正方形取边长正方形取边长圆盘取圆盘取0.901狭长条取短边狭长条取短边矩形矩形L=2ab/(a+b)自然对流换热计算自然对流换热计算21管内流动管内流动定性温度定性温度:流体平均温度流体平均温度特征尺寸特征尺寸:管子内径或当量直径管子内径或当量直径紊流紊流准则方程准则方程层流层流准则方程准则方程注注:上述公式或适用于直管、长管上述公式或适用于直管、长管否则要乘相应修正系数否则要乘相应修正系数强强迫迫对对流流换换热热22定性温度定性温度:特征尺寸特征尺寸:流体流动方向板或柱体的长度流体流动方向板或柱体的长度L紊流紊流准则方程准则方程层流层流准则方程准则方程强强迫迫对对流流换换热热计计算算沿平板流动（或沿柱体轴线流动）沿平板流动（或沿柱体轴线流动）23对流换热的数值计算对流换热的数值计算连续方程连续方程能量方程能量方程动量方程动量方程24辐射换热的基本概念辐射换热的基本概念吸收率吸收率反射率反射率穿透率穿透率25辐射换热的基本定律辐射换热的基本定律普朗克定律普朗克定律四次方定律四次方定律基尔霍夫定律基尔霍夫定律实际物体的辐射和吸收实际物体的辐射和吸收黑体的辐射黑体的辐射角系数角系数交叉线法交叉线法26有效辐射有效辐射平行平板间的辐射换热平行平板间的辐射换热27辐辐射射换换热热计计算算黑度黑度:主要取决于物体表面状态主要取决于物体表面状态热阻网络计算法热阻网络计算法(两个表面以上的辐射计算两个表面以上的辐射计算)表面热阻表面热阻空间热阻空间热阻两表面间两表面间28传传热热计计算算热流体热流体冷流体冷流体固体壁固体壁(平壁或圆筒平壁或圆筒)29圆圆筒筒壁壁30肋肋壁壁传传热热肋效率：肋效率：31热热 阻阻辐射热阻辐射热阻对流热阻对流热阻导热热阻导热热阻 接触传热接触传热32电子设备自然冷却设计技术电子设备自然冷却设计技术自然冷却设备的结构因素自然冷却设备的结构因素机壳热设计机壳热设计机壳通风孔面积机壳通风孔面积机壳表面处理机壳表面处理33PCB自然冷却热设计自然冷却热设计印制线（导体）尺寸的确定印制线（导体）尺寸的确定PCB上元器件热安装技术上元器件热安装技术尽量利用尽量利用DIP的引线导热的引线导热粘接技术粘接技术采用散热采用散热PCB（导热条、导热板、夹芯板）（导热条、导热板、夹芯板）冷热分区排列冷热分区排列元件排列方向有利于气流流动与冷却（阻力）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减小元件热应变的安装技术导轨热设计导轨热设计34PCB热计算热计算均匀热负荷导热条热计算均匀热负荷导热条热计算普通普通PCB热计算热计算35(1)(2)(3)(4)36半导体用散热器热计算半导体用散热器热计算37集成电路的热分析集成电路的热分析离散热源产生的收缩效应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）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）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）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）短而窄热源在有限导热介质上表面温度表面温度38r1-热源半径，热源半径，r2-圆柱半径圆柱半径长窄条热源长窄条热源收缩效应收缩效应有限大圆形导热介质有限大圆形导热介质无限大圆形导热介质无限大圆形导热介质39短窄条热源短窄条热源其中其中2a-2a-热源宽度，热源宽度，2b-2b-窄条宽度，窄条宽度，l-l-窄条长度窄条长度2d2d窄条热源长度，窄条热源长度，2c2c短条长度短条长度40典型微电路组装图典型微电路组装图41芯片结到外壳的传热芯片结到外壳的传热2.52W3.24W2.81W3.03W5542电子设备强迫空气冷却电子设备强迫空气冷却单个元件风冷单个元件风冷整机鼓风冷却整机鼓风冷却整机抽风冷却整机抽风冷却43大机柜中屏蔽盒的通风冷却大机柜中屏蔽盒的通风冷却出风口出风口外部对流外部对流外部辐射外部辐射内部对流内部对流风机风机滤尘器滤尘器空气入口空气入口大机柜大机柜PCB44热计算热计算45每厘米每厘米7个肋片（铝）个肋片（铝）160入口入口出口出口元器件元器件0.6多层印制板多层印制板0.954.8941.20.233100空芯空芯PCB风冷风冷46PCB组组件件风风冷冷出口出口PCB2.5空气入口空气入口轴流风机轴流风机雏形风道雏形风道机壳机壳200(1)(2)(3)(4)(5)(6)47表表2第第1点点第第2点点第第3点点第第4点点第第5点点第第6点点A(cm2)V1(cm/s)V2V3HV1(cmH2O)HV2HV31240080012000.0980.3920.88312.837575011250.0860.3450.7769.6549799514900.0750.3030.6812.253056099140.1140.4541.0245.751202393580.00880.0350.07851202393580.00880.0350.0785系统的压力损失系统的压力损失表表1通道形式通道形式说明说明速度头速度头(HV)损失数损失数普通管道端普通管道端发蓝管道端发蓝管道端圆滑进口圆滑进口伸出进口伸出进口0.040.490.932.70速度头速度头48通风机工作点确定通风机工作点确定恒速风扇；恒速风扇；3相，相，115伏，伏，400周周454 JS马达马达 15500转转/分，分，25瓦瓦变速风扇（变速风扇（Altivar）：单相）：单相400，415YS马达马达11000转转/分，分，18瓦瓦不稳定点不稳定点机箱阻力曲线机箱阻力曲线543210510152021ABm3/mincmH2O49通风机的选择通风机的选择种类、特点种类、特点工作点工作点特性曲线特性曲线通风机串联通风机串联通风机并联通风机并联50结构因素对风冷效果影响结构因素对风冷效果影响通风机位置通风机位置元件的排列元件的排列风道结构形式风道结构形式热源位置热源位置紊流器紊流器漏风的影响漏风的影响51风冷设计基本原则风冷设计基本原则合理控制气流和分配气流合理控制气流和分配气流集中热源，单独风冷集中热源，单独风冷元器件排列原则元器件排列原则力求对气流的阻力最小力求对气流的阻力最小进出口尽量远离，避免风流短路进出口尽量远离，避免风流短路52电子设备液体冷却电子设备液体冷却直接液体冷却直接液体冷却蒸汽不再循环蒸汽不再循环有搅动有搅动发热元器件浸入冷却液（无蒸发）发热元器件浸入冷却液（无蒸发）蒸汽再循环蒸汽再循环元器件或组件浸入冷却液（有蒸发）元器件或组件浸入冷却液（有蒸发）TCM技术技术无搅动无搅动间接液体冷却间接液体冷却冷板技术（液冷）冷板技术（液冷）53泵和热交换器泵和热交换器泵的选择泵的选择流量流量压力压力离心泵离心泵泵的种类泵的种类齿轮泵齿轮泵轴流式泵轴流式泵热交换器的种类热交换器的种类列管间壁式列管间壁式顺流顺流逆流逆流叉流叉流往复流往复流紧凑式紧凑式单流体冷板单流体冷板54热热 计计 算算传传 热热冷流体冷流体热流体热流体 对数平均温差对数平均温差（适用于顺流（适用于顺流逆流）逆流）55（1）由已知条件，由热平衡方程，求另一由已知条件，由热平衡方程，求另一个未知温度个未知温度（2）求）求tm（5）核算流体阻力）核算流体阻力（4）由传热方程求换热面积）由传热方程求换热面积A（3）布置换热面，计算传热系数）布置换热面，计算传热系数K（6）若阻力偏大，则重新设计）若阻力偏大，则重新设计对数平均温差法对数平均温差法热交换器的设计计算（热交换器的设计计算（1）56（1）计算传热系数）计算传热系数K（2）计算）计算NTU及及（5）由热平衡方程求）由热平衡方程求（4）计算传热量）计算传热量（3）计算或查表得有效度）计算或查表得有效度有效度传热单元数法（有效度传热单元数法（NTU）热交换器的设计计算（热交换器的设计计算（2）57冷却剂冷却剂物理特性（沸点、冰点、倾斜点、闪点、燃点等）物理特性（沸点、冰点、倾斜点、闪点、燃点等）热特性热特性相容性相容性经济性经济性冷却剂评价标准冷却剂评价标准自然对流自然对流强迫对流（层流）强迫对流（层流）强迫对流（紊流）强迫对流（紊流）电气特性（介电强度、体积电阻率、介电常数等）电气特性（介电强度、体积电阻率、介电常数等）58液体冷却系统的设计（液体冷却系统的设计（1）确定冷却方式，选择冷却剂确定冷却方式，选择冷却剂确定流量（或流速）确定流量（或流速）由由t2根据热平衡方程确定其流量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）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、确定确定冷流体在热交换器中的走向、确定h1和和h2确定冷、热流体的温差（确定冷、热流体的温差（t1=710，t2=5）59液体冷却系统的设计（液体冷却系统的设计（2）根据根据h1和和h2及及tm,确定确定KA值，进行设计或选择值，进行设计或选择计算阻力损失计算阻力损失选用管路和阀选用管路和阀水套设计（发射管）水套设计（发射管）由流量和阻力损失选泵由流量和阻力损失选泵控制保护装置控制保护装置60冷冷 板板冷板结构形式冷板结构形式气冷式气冷式液冷式液冷式气冷式冷板气冷式冷板肋片肋片封端封端平直形肋平直形肋锯齿形肋锯齿形肋燕尾形燕尾形燕尾槽形燕尾槽形多孔形肋多孔形肋矩形矩形外凸矩形外凸矩形封端封端底板底板盖板盖板肋片肋片61冷板换热计算（冷板换热计算（1）热平衡方程热平衡方程换热方程换热方程 62冷板换热计算（冷板换热计算（2）冷板总的压力损失冷板总的压力损失冷板有效度冷板有效度（Ac为通道截面积，为通道截面积，Afr为冷板截面积）为冷板截面积）63冷板校核设计（冷板校核设计（1）温升温升（肋效率）（肋效率）（总效率）（总效率）64冷板校核设计（冷板校核设计（2）传热单元数传热单元数若不满足若不满足（6）（）（7）条件，重新计算条件，重新计算压力损失压力损失65初步确定结构形式及尺寸、选肋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由定性温度，确定冷却剂物性参数定性温度定性温度 tf=(2ts+t1+t2)/4出口温度出口温度 t2=t1+t冷却剂温差冷却剂温差通道截面积通道截面积 Ac=b1S2 （S2单位宽度的通道面积）单位宽度的通道面积）单位面积质量流量单位面积质量流量冷板设计计算（冷板设计计算（1）66冷板深度冷板深度 D1=A/S1b1 （S1单位面积的传热面积）单位面积的传热面积）压降压降 PP比较比较AA ，PP，若不满足，重新设定若不满足，重新设定b，D值，直至符合要求值，直至符合要求冷板设计计算（冷板设计计算（2）67电子设备的蒸发冷却电子设备的蒸发冷却原理原理蒸发冷却系统的组成蒸发冷却系统的组成汽汽水两相冷却水两相冷却蒸发冷却的应用蒸发冷却的应用蒸发冷却系统的设计计算蒸发冷却系统的设计计算超蒸发冷却超蒸发冷却68热电致冷原理热电致冷原理塞贝克效应塞贝克效应珀尔帖效应珀尔帖效应付立叶效应付立叶效应焦耳效应焦耳效应汤姆逊效应汤姆逊效应69热电致冷的热计算热电致冷的热计算致冷量致冷量性能系数性能系数最大温差最大温差最大致冷量最大致冷量最佳工作电流最佳工作电流材料品质因数材料品质因数最佳性能系数最佳性能系数最佳致冷量设计程序最佳致冷量设计程序最佳性能系数设计方法最佳性能系数设计方法70热电致冷器的结构及应用热电致冷器的结构及应用结结 构构特特 点点应应 用用71蒸发端蒸发端冷凝端冷凝端毛细泵力毛细泵力蒸发端蒸发端冷凝端冷凝端热管的工作原理（热管的工作原理（1）72热管的工作原理（热管的工作原理（2）73热管结构与材料热管结构与材料分类分类蒸汽流量调节热管蒸汽流量调节热管过量流体热管过量流体热管充气热管充气热管结构材料结构材料工作液（要求）工作液（要求）管芯（材料、要求）管芯（材料、要求）管壳（材料、要求）管壳（材料、要求）74热管传热极限热管传热极限粘性限粘性限声速限声速限毛细限毛细限沸腾限沸腾限携带限携带限声速限声速限粘性限粘性限毛细限毛细限携带限携带限沸腾限沸腾限75热管应用与设计热管应用与设计设计步骤设计步骤吸液芯参数确定（截面积吸液芯参数确定（截面积AW，蒸汽通道截面积，蒸汽通道截面积AV）管壳设计（壁厚、封头厚度）管壳设计（壁厚、封头厚度）工作液的选择工作液的选择计算工作液充装量计算工作液充装量传热极限的校验传热极限的校验设计要求（工作温度、传热量、工作环境、设计要求（工作温度、传热量、工作环境、结构尺寸、其他）结构尺寸、其他）应用（管状、平板、可控热管）应用（管状、平板、可控热管）76电子设备热测试技术电子设备热测试技术温度测量温度测量压力测量压力测量流量测量流量测量77温度测量温度测量热电偶测温（原理、制作、测试）热电偶测温（原理、制作、测试）红外线测温仪红外线测温仪热敏电阻（热敏电阻（-80200）温度敏感涂料（温度敏感涂料（381800）液晶测温液晶测温78压力与流量测量压力与流量测量液柱压力计（液柱压力计（U形管、倾斜或杯式、微压计）形管、倾斜或杯式、微压计）节流式流量计节流式流量计弹簧或压力表弹簧或压力表毕托管测流量（流速）毕托管测流量（流速）转子流量计转子流量计79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80.微焊接技术81基板技术82有机介质材料83热介质材料84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85高效热控制技术微通道散热器86微通道散热器组装87激光切割微通道散热器88MCM与微通道散热器89零热阻热管（1）90铰链热管（2）91微型热管（3）92仙人掌热管散热器93微型热管散热器94薄膜热电致冷95不同流体的换热系数h(W/cm2)h(W/cm2)h(W/cm2)h(W/cm2)96相变冷却（1）97相变冷却（2）98表1 降低几种传热热阻的方法导热热阻自然对流热阻强迫对流热阻辐射热阻接触热阻缩短导热路径增大导热面积选导热系数大的材料流体流动不受阻碍散热面垂直放置增大散热面积水平热面向上 液体比气体好增大流速增大表面粗糙度加紊流器增大散热面积增大黑度增大角系数增大散热面积提高温差增大接触面积表面光滑平整接触材料软增大接触压力界面涂导热剂99低热阻散热器优化技术准则方程优化遗传算法优化100表1 降低几种传热热阻的方法导热热阻自然对流热阻强迫对流热阻辐射热阻接触热阻缩短导热路径增大导热面积选导热系数大的材料流体流动不受阻碍散热面垂直放置增大散热面积水平热面向上 液体比气体好增大流速增大表面粗糙度加紊流器增大散热面积增大黑度增大角系数增大散热面积提高温差增大接触面积表面光滑平整接触材料软增大接触压力界面涂导热剂101低热阻散热器优化技术准则方程优化遗传算法优化102功率器件低热阻技术ASIC器件物理模型xyz20103芯片键合方式IC芯片焊料IC芯片焊料凸点焊料IC芯片 (a)丝焊 (b)TAB (c)倒装焊 104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105焊料的影响106基板技术的影响107基板材料的影响108有机介质材料的影响109介质层通孔面积的影响110热介质材料的影响111热介质的影响112芯片功率点分布的影响(a)位于基板中心(b)位于基板上部113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114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115