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 蒸发冷却 热设计基本原理 热电致冷 自然冷却 热管传热 强迫风冷 热测试技术 液体冷却

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》 3、《电子设备冷却技术》 4、《微电子设备的换热》 5、《GJB/Z27电子设备可靠性热设计》 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 防止电子元器件的热失效 保证芯片级、元件级、组件级及系统级的热可靠性

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 可利用的热沉 冷却剂种类 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 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 满足对冷却系统的限制要求 与电路设计同时进行 与维修性设计相结合，易维修 根据 尺寸、重量、冷却所需功、 经济性、安全性等，选择冷却方法

热设计基本原则 保证良好的冷却功能 保证可靠性 有良好的适应性 良好的维修性 良好的经济性

冷却方法选择（1） 103 自然散热（对流和辐射） 102 6 强迫风冷 温升℃ 2 浸没自然对流冷却 10 浸没沸腾冷却 4 强迫水冷 1 8 10-1 100 10-2 1 温升℃ 表面热流密度 W/cm2

冷却方法选择（2） 空气 介质液体 水 自然散热 强迫对流 蒸发冷却 1.163 11.63 116.3 1163 11630 传热系数W/m2℃ 空气流速 3~15m/S 流体流速 0.3~1.5m/S

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) 导热 对流 辐射

导 热 温度场 导热基本定律 单层平壁导热 导热热阻

单层圆筒壁导热 多层平壁导热 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） 非接触间隙的平均厚度 间隙中介质种类（真空、液体、气体等） 接触表面的硬度 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 在接触表面涂一薄层导热脂（膏） 加一薄紫铜片或延展好的高导热系数材料 提高界面间的接触压力 加低熔点合金（铟合金）

导热的数值分析 有限差分法 有限元素法

有限差分法求解步骤 （1）构成差分格式 （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

有限元素法求解步骤 （1）区域离散化 （2）写出单元的泛函表达式 （3）构造每个单元内的插值函数 （4）求泛函极值条件的代数方程表达式 （5）构成代数方程组 （6）求解代数方程组

对流换热影响因素 流体流动发生的因素 流体流动的状态 流体的物理性质 换热面的几何形状和位置

对流换热系数 对流换热现象 换热系数 空气自然对流 3~10 气体强迫对流 20~100 水自然对流 200~1000 水强迫对流 1000~15000 水沸腾 2000~25000 高压水蒸汽强迫对流 500~3500 水蒸汽凝结 5000~15000

对流换热计算 准则数 名称 物理意义 定性温度： 特征尺寸

自然对流换热计算 n 准则方程 C ~ 3×1010 竖放平 板柱体 水平板 (热面朝上) (热面朝下) ＜109 ＞109 ＜2×107 ＞2×107 3×105 ~ 3×1010 流态 层流 紊流 C 0.10 0.59 0.54 0.15 0.27 n 1/4 1/3 特征尺寸 高度 正方形取边长 圆盘取0.901 狭长条取短边 矩形L=2ab/(a+b)

强迫对流换热 管内流动 紊流 准则方程 层流 准则方程 定性温度: 流体平均温度 特征尺寸: 管子内径或当量直径 注:上述公式或适用于直管、长管 否则要乘相应修正系数

沿平板流动（或沿柱体轴线流动） 紊流 强迫对流换热计算 准则方程 层流 准则方程 定性温度: 特征尺寸: 流体流动方向板或柱体的长度L

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

黑度ε: 主要取决于物体表面状态 热阻网络计算法 (两个表面以上的辐射计算) 表面热阻 辐射换热计算 空间热阻 两表面间

热流体 冷流体 固体壁(平壁或圆筒) 传热计算

圆筒壁

肋壁传热 肋效率：

热 阻 导热热阻 对流热阻 辐射热阻 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 机壳表面处理 机壳通风孔面积

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 采用散热PCB（导热条、导热板、夹芯板） 粘接技术 尽量利用DIP的引线导热 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 （2）有限大的导热介质上的圆热源 表面温度 （1）无限大的导热介质上的圆热源 （2）有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 （4）短而窄热源在有限导热介质上

收缩效应 无限大圆形导热介质 有限大圆形导热介质 r1-热源半径， r2-圆柱半径 长窄条热源

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 2.52W 3.24W 2.81W 3.03W 55℃

电子设备强迫空气冷却 单个元件风冷 整机抽风冷却 整机鼓风冷却

大机柜中屏蔽盒的通风冷却 出风口 外部对流 外部辐射 内部对流 风机 滤尘器 空气入口 大机柜 PCB

热计算

空芯PCB风冷 每厘米7个肋片（铝） 160 入口 出口 元器件 0.6 多层印制板0.9 5 4.8 94 1.2 0.2 3 100

出口 PCB 2.5 空气入口 轴流风机 雏形风道 机壳 200 (1) (2) (3) (4) (5) (6) PCB组件风冷

表1 通道形式 说明 速度头(HV)损失数 普通管道端 发蓝管道端 圆滑进口 伸出进口 0.04 0.49 0.93 2.70 速度头 表2 第1点 第2点 第3点 第4点 第5点 第6点 A(cm2) V1(cm/s) V2 V3 HV1(cmH2O) HV2 HV3 12 400 800 1200 0.098 0.392 0.883 12.8 375 750 1125 0.086 0.345 0.776 9.65 497 995 1490 0.075 0.303 0.681 2.25 305 609 914 0.114 0.454 1.024 5.75 120 239 358 0.0088 0.035 0.0785 系统的压力损失

通风机工作点确定 5 4 3 2 1 10 15 20 A B cmH2O 恒速风扇；3相，115伏，400周 454 JS马达 15500转/分，25瓦 变速风扇（Altivar）：单相400， 415YS马达11000转/分，18瓦 不稳定点 机箱阻力曲线 5 4 3 2 1 10 15 20 A B m3/min cmH2O

通风机的选择 种类、特点 特性曲线 工作点 通风机串联 通风机并联

结构因素对风冷效果影响 通风机位置 风道结构形式 元件的排列 热源位置 漏风的影响 紊流器

风冷设计基本原则 合理控制气流和分配气流 元器件排列原则 集中热源，单独风冷 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 发热元器件浸入冷却液（无蒸发） 有搅动 无搅动 元器件或组件浸入冷却液（有蒸发） 蒸汽不再循环 蒸汽再循环 间接液体冷却 TCM技术 冷板技术（液冷）

泵和热交换器 泵的选择 泵的种类 流量 离心泵 压力 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 热流体 冷流体 传 热 对数平均温差 （适用于顺流—逆流）

热交换器的设计计算（1） 对数平均温差法 （1）由已知条件，由热平衡方程，求另一个未知温度 （2）求△tm （3）布置换热面，计算传热系数K （4）由传热方程求换热面积A （5）核算流体阻力 （6）若阻力偏大，则重新设计

热交换器的设计计算（2） 有效度传热单元数法（ε— NTU） （1）计算传热系数K （2）计算NTU及 （3）计算或查表得有效度ε （4）计算传热量φ （5）由热平衡方程求

冷却剂 热特性 物理特性（沸点、冰点、倾斜点、闪点、燃点等） 电气特性（介电强度、体积电阻率、介电常数等） 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）

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） 选择二次冷却方式（热交换器类型） 确定冷、热流体的温差（△t1=7~10℃，△t2=5℃） 由△t2根据热平衡方程确定其流量 确定冷流体在热交换器中的走向、确定h1和h2

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 由流量和阻力损失选泵 水套设计（发射管） 选用管路和阀 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 平直形肋 锯齿形肋 多孔形肋 封端 燕尾形 燕尾槽形 矩形 外凸矩形 肋片 盖板 冷 板 冷板结构形式 气冷式 液冷式 气冷式冷板 封端 底板 盖板 肋片 肋片 平直形肋 锯齿形肋 多孔形肋 封端 燕尾形 燕尾槽形 矩形 外凸矩形

冷板换热计算（1） 换热方程 热平衡方程

冷板换热计算（2） 冷板有效度 冷板总的压力损失 （Ac为通道截面积， Afr为冷板截面积）

冷板校核设计（1） ① 温升 ② ③ ④ （肋效率） （总效率）

冷板校核设计（2） ⑤ 传热单元数 ⑥ ⑦ 压力损失 ⑧ 若不满足（6）（7）条件，重新计算

冷板设计计算（1） 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 冷却剂温差 出口温度 t2 =t1+△t 定性温度 tf=(2ts+t1+t2)/4 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（2） 冷板深度 D1=A/S1b1 （S1单位面积的传热面积） 压降 △P≤[△P] 比较A≤[A] ， △P≤[△P]，若不满足，重新设定 b，D值，直至符合要求

电子设备的蒸发冷却 原理 蒸发冷却系统的组成 蒸发冷却系统的设计计算 蒸发冷却的应用 汽—水两相冷却 超蒸发冷却

热电致冷原理 塞贝克效应 珀尔帖效应 汤姆逊效应 焦耳效应 付立叶效应

热电致冷的热计算 致冷量 性能系数 最佳工作电流 最大致冷量 最大温差 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

热管的工作原理（1） 蒸发端 冷凝端 毛细泵力 蒸发端 冷凝端

热管的工作原理（2）

热管结构与材料 分类 充气热管 过量流体热管 蒸汽流量调节热管 结构材料 管壳（材料、要求） 管芯（材料、要求） 工作液（要求）

热管传热极限 声速限 粘性限 毛细限 携带限 沸腾限 粘性限 声速限 携带限 沸腾限 毛细限

热管应用与设计 应用（管状、平板、可控热管） 设计要求（工作温度、传热量、工作环境、结构尺寸、其他） 设计步骤 工作液的选择 管壳设计（壁厚、封头厚度） 吸液芯参数确定（截面积AW，蒸汽通道截面积AV） 计算工作液充装量 传热极限的校验

电子设备热测试技术 温度测量 流量测量 压力测量

温度测量 热电偶测温（原理、制作、测试） 热敏电阻（-80℃＜~200℃） 温度敏感涂料（38~1800℃） 液晶测温 红外线测温仪

压力与流量测量 液柱压力计（U形管、倾斜或杯式、微压计） 弹簧或压力表 毕托管测流量（流速） 转子流量计 节流式流量计

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）

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 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 增大黑度 增大角系数 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

低热阻散热器优化技术 准则方程优化 遗传算法优化

导热热阻 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 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 增大黑度 增大角系数 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

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 x y z 20

芯片键合方式 IC芯片 焊料 凸点 (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

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