电子器件与组件结构设计 王华涛 哈尔滨工业大学（威海） 材料科学与工程学院 办公室：A 楼208 Tel：

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1 电子器件与组件结构设计 王华涛 哈尔滨工业大学（威海） 材料科学与工程学院 办公室：A 楼208 Tel：5297952
留下板书 2012年春

2 第二章 热控制 2.2 热控制基础 2.2.1 传导 2.2.2 对流 牛顿冷却定律 热传递系数 热阻 层流和紊流 5.45

3 2.2.2 对流>热阻>层流和紊流 图中“烟”流动的特点？ 层流和紊流（或湍流） 视频：2 层流紊、流演示实验

4 水流 科学的语言： 雷诺系数 2.2.2 对流>热阻>层流和紊流 层流：有序 紊流/湍流：漩涡 过渡流：中间状态 层流 过渡流
搭乘飞机的时候，常会听到空服员广播“飞机即将经过一段不稳定气流，请确实扣紧安全带！”不稳定气流指的就是紊流，它会使飞机摇晃，甚至严重伤害机体。 想要了解紊流，可以从比较熟悉的「水」去观察。站在河边看着潺潺流水，便很容易发现，当流速非常缓慢时，水流会井然有序的前进，此时称之为层流（laminar flow）；若流速较快，水面则会产生扰动，有些地方会形成漩涡，水流变得混乱而不一致，这就是紊流流（turbulent flow）的最基本现象。从层流变成紊流的过程中，称为过渡流（transitional flow）。 如何用科学的语言来表达

5 2.2.2 对流>热阻>层流和紊流>雷诺系数
雷诺根据实验结果指出，水流流动形态由下列因素决定： 请同学回答，哪些因素决定流动状态，是层流还是紊流？ （1）流速，流速小时容易出现层流，流速大时则发生紊流； （2）管道直径(L)，在其他条件不变的情况下，管道直径小易发生层流，直径大易发生紊流； （3）粘滞性。粘滞性大的水体易发生层流，粘滞性小的水体易发生紊流。 注：对于水流，密度一定。 问：密度的影响？ 密度意味着惯性力的影响，与粘度的作用相反

6 2.2.2 对流>热阻>层流和紊流>雷诺系数
流体力学中，雷诺数是流体惯性力与粘性力比值的量度，它是一个无量纲量。 惯性力， ρV2/L 粘性力，μV/L2 公式：Re＝ρVL／ μ ρ，流体密度； V, 特征速度; L, 物体特征长度； μ, 流体粘度. 雷诺数较小，粘滞力对流场的影响大于惯性力，流场中流速的扰动会因粘滞力而衰减，流体流动稳定，为层流； 雷诺数较大时，惯性力对流场的影响大于粘滞力，流体流动较不稳定，流速的微小变化容易发展、增强，形成紊乱、不规则的紊流流场。

7 雷诺系数 'læminə 'tə:bjulənt 层流 紊流 laminar turbulent 速度 几何
动粘滞系数，运动粘度 ,kini'mætik vi'skɔsəti 'læminə 层流 laminar 'tə:bjulənt 紊流 turbulent pə‘rimitə 周长 From “Fundamentals of Heat and Mass Transfer”,7th Edition

8 2.2.2 对流>热阻>层流和紊流>雷诺系数
雷诺数小，各质点间的粘性力占主要地位，流体各质点平行于管路内壁有规则地流动，呈层流流动状态。 雷诺数大，各质点间的惯性力占主要地位，流体呈紊流流动状态。 FIGURE Velocity boundary layer development on a flat plate. 注：5-6学时结束 From “Fundamentals of Heat and Mass Transfer”,7th Edition

9 2.2.2 对流>热阻>层流和紊流>雷诺系数
一般管道， Re<2300为层流状态， Re>4000为紊流状态， Re=2300～4000为过渡状态。 (这里的过渡状态是指流体的流动状态是介与层流与紊流之间的一种中间状态，而不同流体的从层流彻底转变为紊流的雷诺数并不相同）。

10 电子器件与组件结构设计 王华涛 哈尔滨工业大学（威海） 材料科学与工程学院 办公室：A 楼208 Tel：5297952
留下板书 2012年春 第五讲

11 自学部分 第六章 陶瓷封装结构 陶瓷封装的特点及应用； 陶瓷封装材料； 厚膜材料与工艺； 陶瓷芯片载体制造工艺； 主要结构形式与特点；
微组装

12 Questions & answers 2mins
汉英互译 velocity equivalent viscosity cross-section perimeter boundary layer laminar turbulent Reynolds number 汉英互译 速度 等效的 粘性的 横截面 周长 边界层 层流 紊流 雷诺系数 12

13 Questions & answers 2mins
汉英互译 横管 竖管 甲醇 钠 热流 苯 串联 并联 圆柱体 稳态 汉英互译 horizontal pipe vertical pipe methanol sodium heat flux benzene series connection, in series parallel connection, in parallel cylinder steady-state 13

14 案例：QFP器件不同路径的散热量

15 2.2.2 对流>热阻>并联热阻 并联热阻
下图是热流通过热导率和厚度分别为k1、k2、k3和L1、L2、L3组成的三层复合平板及其并联热阻示意图，平板的长度是W，在纵向方向上具有单位宽度。三个平板左侧的温度T1，右侧的温度T2. R1 R2 R3 R1=W/k1A R2=W/k2A R3=W/k3A T1 T2 k1 k2 k3 L1 L2 L3 q T1与T2之间的等效总热阻为 1/Rt=1/R1+1/R2+1/R3 W

16 2.2.2 对流>热阻>层流和紊流>雷诺系数
雷诺根据实验结果指出，水流流动形态由下列因素决定： 请同学回答，哪些因素决定流动状态，是层流还是紊流？ （1）流速，流速小时容易出现层流，流速大时则发生紊流； （2）管道直径(L)，在其他条件不变的情况下，管道直径小易发生层流，直径大易发生紊流； （3）粘滞性。粘滞性大的水体易发生层流，粘滞性小的水体易发生紊流。 注：对于水流，密度一定。 问：密度的影响？ 密度意味着惯性力的影响，与粘度的作用相反

17 2.2.2 对流>热阻>层流和紊流>雷诺系数
流体力学中，雷诺数是流体惯性力与粘性力比值的量度，它是一个无量纲量。 惯性力， ρV2/L 粘性力，μV/L2 公式：Re＝ρVL／ μ ρ，流体密度； V, 特征速度; L, 物体特征长度； μ, 流体粘度. 雷诺数较小，粘滞力对流场的影响大于惯性力，流场中流速的扰动会因粘滞力而衰减，流体流动稳定，为层流； 雷诺数较大时，惯性力对流场的影响大于粘滞力，流体流动较不稳定，流速的微小变化容易发展、增强，形成紊乱、不规则的紊流流场。

18 飞行与层流 燃油效率与摩擦阻力： 摩擦阻力是在边界层中产生的 摩擦阻力小，燃油效率高
飞机飞行时，受到空气的摩擦阻力，该阻力是由空气的粘性造成的，空气微团与物体表面发生的摩擦 摩擦阻力小，燃油效率高 实践证明，对于层流流动，物体表面受到的摩擦阻力小，而紊流流动对物面的摩擦阻力大的多，因而在飞行器或船舶设计中，应尽量使边界层流动保持层流状态。 摩擦阻力是在边界层中产生的 所谓边界层就是紧贴物体表面，流速由外部流体的自由流速逐渐降低到零的那一层薄薄的空气层。

19 2.2.2 对流>热阻>层流和紊流>边界层
边界层，由近代流体力学的奠基人，德国人Ludwig Prandtl（普朗特）于1904年首先提出。从那时起，边界层研究就成为流体力学中的一个重要课题和领域。 Ludwig Prandtl 1904 with his fluid test channel

20 2.2.2 对流>热阻>层流和紊流>边界层
十九世纪末叶，流体力学沿着两个方向发展，但相互之间毫无共同之处 一个方向是理论流体动力学，它是从无摩擦、无粘性流体的Euler运动方程发展而来，但与实验结果有明显的矛盾。 一个方向是水利学，注重实际的工程师为了解决在技术迅速发展中所出现的重要问题，以大量的实验数据为基础，发展了一门高度经验性的学科，其在方法上和研究对象上都与理论流体动力学大不相同。

21 边界层的发展 本世纪初，L.Prandtl因解决了如何统一这两个背道而驰的流体动力学分支而著称于世。
他建立了理论和实验之间的紧密联系，并为流体力学的异常成功的发展铺平了道路。 在Prandtl之前，人们就已经认识到：在很多情形下，经典流体动力学的结果与试验结果不符，是由于该理论忽略了流体的摩擦的缘故。而且，人们早就知道了有摩擦流动的完整的运动方程（Navier-Stokes方程）。 但是，因为求解这些方程在数学上及其困难（少数特殊情况除外），所以从理论上处理粘性流体运动的道路受到了阻碍。 此外，在两种最重要的流体，即水和空气中，由于粘性很小，一般说来，由粘性摩擦而产生的力远小于其它的力（重力和压力）。因为这个缘故，人们很难理解被经典理论所忽略的摩擦力怎么会在如此大的程度上影响流体的运动。

22 2.2.2 对流>热阻>层流和紊流>边界层
1904 年，论文“具有很小摩擦的流体运动” 借助于理论研究和几个简单的实验，他证明了绕固体的流动可以分成两个区域： 一是物体附近很薄的一层（边界层），其边界层的发展中摩擦起着主要的作用； 二是该层以外的其余区域，这里摩擦可以忽略不计。

23 边界层的发展 基于这个假设，Prandtl成功地对粘性流动的重要意义给出了物理上透彻的解释，同时对相应的数学上的困难做了最大程度的简化。
边界层理论在为发展流体动力学提供一个有效的工具方面是极其有成效的。自20世纪以来，在新近发展起来的空气动力学这门学科的推动下，边界层理论已经得到了迅速的发展。在一个很短的时间内，它与其他非常重要的进展（机翼理论和气体动力学）一起，已成为现代流体力学的基石之一。

24 2.2.2 对流>热阻>层流和紊流>边界层
FIGURE Velocity boundary layer development on a flat plate. 边界层外，速度梯度很小 边界层中，速度梯度很多， 粘性力为主 紧挨内壁，速度为零 注：5-6学时结束 From “Fundamentals of Heat and Mass Transfer”,7th Edition

25 2.2.2 对流>热阻>层流和紊流>边界层
定义：粘性流体流经固体边壁时，在壁面附近形成的流速梯度明显的流动薄层。 边界层内，由于分子引力的作用 ，流体完全粘附于物面上，在固定表面上流速为零， 边界层中，流体速度迅速增大至自由流体速度 因而速度的法向垂直表面的方向梯度很大，即使流体粘度不大，如空气、水等，粘性力相对于惯性力仍然很大，起着显著作用，因而属粘性流动。 边界层外，速度梯度很小（速度接近定值，不随位置而变化） ，粘性力可以忽略，流动可视为无粘或理想流动。 边界层是由粘滞力产生的效应，和雷诺系数Re有关。

26 2.2.2 对流>热阻>层流和紊流>边界层
边界层厚度 δ，/delta 即速度到达99%自由速度uo的位置 u(δ) = 0.99uo 边界层厚度越小，边界层内速度的变化率越大。 流体速度及自由速度uo

27 2.2.2 对流>热阻>层流和紊流>边界层
速度边界层 一般提到的边界层是指速度的边界层。 热边界层 在热传导中也有热的边界层。 壁面附近，形成的温度梯度明显的边界层，称热边界层。 热边界层厚度定义和速度界层厚度类似，是从边界到温度为99%原始流体温度位置的距离。 热的边界层厚度越小，表示传热的效果越好。

28 Nusselt number Nu 努赛尔数 Nu 反映对流传热强弱, 即对流使传热系数增大的倍数
D, 传热面的几何特征长度, the length of the body along the heat flow path Pr, 普朗特数 From “Fundamentals of Heat and Mass Transfer”,7th Edition

29 2.2.2 对流>热阻>层流和紊流>普朗特数Pr
ν : 动粘滞系数(viscous diffusion rate), (m2/s) α : 热扩散率(thermal diffusion rate), (m2/s) μ : 粘滞系数，Pa·s k : 热传导率，W/(m·K) Cp : 比热容

30 2.2.2 对流>热阻>层流和紊流>普朗特数Pr
机油范围在 100 到 40,000 之间 水大约是 7 空气及气体约 惰性气体、氢气或惰性气体的混合物约 水银约 0.015 对水银而言，由于热扩散率远大于动粘滞系数，热量主要会以传导的方式传递，以热传导的方式传递热量会比对流有效。 对于机油则恰好相反，动粘滞系数远大于热扩散率，热量主要会以对流的方式传递，以对流的方式传递热量会比热传导有效。

31 [From Jakob (1949) and Zukauskas (1972)]
TABLE 15–2 Empirical 经验的correlations关联 (经验公式) for the average Nusselt number for forced convection over a flat plate and circular and noncircular cylinders in cross flows [From Jakob (1949) and Zukauskas (1972)] From “Fundamentals of Heat and Mass Transfer”,7th Edition

32 TABLE 15–3 Nusselt number of fully developed laminar flow in circular tubes and rectangular channels 矩形的 'rek'tæŋɡjulə From “Fundamentals of Heat and Mass Transfer”,7th Edition

33 From “Fundamentals of Heat and Mass Transfer”,7th Edition

34 From “Fundamentals of Heat and Mass Transfer”,7th Edition

35 qcyl From “Fundamentals of Heat and Mass Transfer”,7th Edition

36 qflat qtotal=qcyl+qflat
From “Fundamentals of Heat and Mass Transfer”,7th Edition

37 2.2.2 对流>对流散热计算>自然对流
应用广泛 小功率电子器件多使用自然对流散热 单个IC封装中最常用的冷却模式，也广泛应用在PWB、散热片、电源供给、芯片封装等方面。 优势（问） 简单、可靠（无风扇失效的风险）、低成本 成因 温度差引起流体密度的不同，密度的不同带来流体的运动 流体受热膨胀，密度降低，由于重力场作用向上运动 视频_对流

38 2.2.2 对流>对流散热计算>自然对流
思考：太空环境下（如飞船中）存在自然对流么？ 月球表面呢？ 自然对流中流速是否可控？ 受到浮力和摩擦力（buoyancy and friction）的双重制约，二者平衡 温度差越大，浮力越大，自然对流越强，传热越多 物体表面和流体间的摩擦力抑制流体的运动，减缓传热 自然对流的热传递系数与空气的温度变化、热学性质及流体性质有关。

39 2.2.2 对流>对流散热计算>自然对流
影响因素 通道窄、障碍物多，自然对流散热效果差 流速 （flow rate）！！ 散热通孔 vent TV、DVD的进气孔inlet和出气孔 outlet 从散热角度来讲，理论上通孔越大越好，且下面进气，上面出气 实际上，出于安全等因素考虑，如DVD上放置茶杯，通孔较窄，且从侧面或者后面进气。 电子器件的散热中，空气的流动多为层流 温度差小于100℃ 器件尺寸多小于0.5m

40 2.2.2 对流>对流散热计算>自然对流
热空气从顶部流出，冷空气从底部流进 适用场合 一般而言，自然对流冷却能满足功耗小于5W，或者功率密度小于0.2W/cm2 的PCB板的散热需求。 散热考虑时，如果PCB只有一面装有器件，则由于PCB板背面散热很小，可把其视做一背面绝缘，正面散热均匀的矩形板。 对于机箱内的一组PCB板，相互之间的距离太大，则浪费空间；相互之间的距离太小，则阻碍空气的自由流通，所以存在一最佳板间距。 FIGURE 15–39 The PCBs in a chassis must be oriented vertically and spaced adequately to maximize heat transfer by natural convection.

41 2.2.2 对流>对流散热计算>自然对流优化间距
下图给出了特定PWB插件盒的最大功率耗散与PWB间距的关系。可以看出，在相同的PWB与环境的温度差下，存在一个最佳PWB间距，在这个间距下PWB中耗散功率最大 PWB阵列的总功率耗散与间距的关系

42 2.2.2 对流>对流散热计算>自然对流
对流传热公式 常压、层流状态下，自然对流的热传递系数简化为 Table 15-1 列出了一些常用情况 当压力不为1atm时，可用下式计算 q=

43 Table 15-1 From “Fundamentals of Heat and Mass Transfer”,7th Edition

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47 电子器件与组件结构设计 王华涛 哈尔滨工业大学（威海） 材料科学与工程学院 办公室：A 楼208 Tel：5297952
留下板书 2012年春 第六讲

48 Questions & answers 2mins
汉英互译 玻璃环氧树脂板 普朗特数 缓冲层 努赛尔数 无量纲的 特征长度 确定 可忽略的 替换 汉英互译 glass epoxy board Prandtl Number buffer layer Nusselt number dimensionless characteristic length determine Negligible 'neɡlidʒəbl substitute into 48

49 Questions & answers 2mins
汉英互译 几何 圆形 方形 矩形 平板 上表面 小表面 摩擦力 通孔 流速 电子器件 汉英互译 geometry dʒi'ɔmitri circle circular square rectangle rectangular 'rek'tæŋɡjulə flat plate top surface bottom surface friction vent flow rate electronic components 49

50 Rack 架 高度 大气压 忽略

51 从表15-1中如何选择h？ 取代

52 该页打印可删 请同学选择。 注意不可选右上角2.44这个情况，因为这个情况指的是PCB板上的组件，而不是PCB。
应该选左上角，即第一个，竖直板的情况 “Fundamentals of Heat and Mass Transfer”,7th Edition

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54 极端条件下的冷却>烧蚀 △ 洲际导弹、人造卫星、宇宙飞船等从外层空间再入大气层时，其速度很快。(视频 Curiosity Rover ) △ 以8km/s的速度返回大气层的卫星为例，驻点温度高达 K，中程导弹再入大气层时，头部周围的温度在5800K左右。 △ 如何防止温度过高，保护飞行器？ 陨石从宇宙空间以11-70km/s的速度穿过大气层时，表面材料熔解、气化，内部化学成分没有变化。 飞行器再入大气层，受热时间短，中程及洲际导弹20-40s；人造卫星和飞船 s 烧蚀材料 给飞行器的头部戴一顶用烧蚀材料制成的“盔甲”，把摩擦产生的热量消耗在烧蚀材料的熔触、气化等一系列物理和化学变化中，达到保护飞行器的目的。  作为烧蚀材料，要求气化热大，热容量大，绝热性好，向外界辐射热量的功能强。 纤维增强陶瓷 碳-碳复合材料 玻璃增强酚醛塑料 NASA

55 注 本资料仅作教学之用 部分资料来自internet 如果传播，请注明 哈尔滨工业大学（威海）王华涛