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1、中国电子电器可靠性工程学会中国电子电器可靠性工程学会中国电子电器可靠性工程学会中国电子电器可靠性工程学会电子设备热设计讲座韩宁西安电子科技大学机电工程学院2008年12月 深圳中国电子电器可靠性工程学会中国电子电器可靠性工程学会中国电子电器可靠性工程学会中国电子电器可靠性工程学会为什么要掌握热设计技术因为：?体积缩小，功率增加，热流密度急剧上升?热设计是器件、设备和系统可靠性设计的一项主要内容?散热问题是制约设备小型化的关键问题中国电子电器可靠性工程学会中国电子电器可靠性工程学会中国电子电器可靠性工程学会中国电子电器可靠性工程学会热分析的两个主要目的1.预计各器件的工作温度，包括环境温预计各器
2、件的工作温度，包括环境温度和热点温度度和热点温度2.使热设计最优化，以提高可靠性使热设计最优化，以提高可靠性中国电子电器可靠性工程学会中国电子电器可靠性工程学会中国电子电器可靠性工程学会中国电子电器可靠性工程学会课程具体章节第一章 电子设备热设计要求第一章 电子设备热设计要求第二章 电子设备热设计方法第二章 电子设备热设计方法第三章 冷却方法的选择第三章 冷却方法的选择第四章 电子元器件的热特性第四章 电子元器件的热特性第五章 电子设备的自然冷却设计第五章 电子设备的自然冷却设计第六章 电子设备用肋片式散热器第六章 电子设备用肋片式散热器第七章 电子设备强迫空气冷却设计第七章 电子设备强迫空气
3、冷却设计中国电子电器可靠性工程学会中国电子电器可靠性工程学会中国电子电器可靠性工程学会中国电子电器可靠性工程学会课程具体章节第八章 电子设备用冷板设计第八章 电子设备用冷板设计第九章 热电制冷器第九章 热电制冷器第十章 热管散热器的设计第十章 热管散热器的设计第十一章 电子设备的热性能评价第十一章 电子设备的热性能评价第十二章 现有电子设备热性能的改进第十二章 现有电子设备热性能的改进第十三章 计算流体及传热分析第十三章 计算流体及传热分析第十四章 热设计实例第十四章 热设计实例中国电子电器可靠性工程学会中国电子电器可靠性工程学会中国电子电器可靠性工程学会中国电子电器可靠性工程学会第一章 电子
4、设备热设计要求1.1 热设计基本要求热设计基本要求1.2 热设计应考虑的问题热设计应考虑的问题中国电子电器可靠性工程学会中国电子电器可靠性工程学会中国电子电器可靠性工程学会中国电子电器可靠性工程学会1.1 热设计基本要求?热设计应热设计应满足满足设备可靠性的要求设备可靠性的要求大多数电子元器件过早失效的主要原因是由于过应力（即电大多数电子元器件过早失效的主要原因是由于过应力（即电、热或机械应力）。电应力和热应力之间存在紧密的内在联系，减热或机械应力）。电应力和热应力之间存在紧密的内在联系，减小电应力（降额）会使热应力得到相应的降低，从而提高器件的小电应力（降额）会使热应力得到相应的降低，从而提
5、高器件的可靠性。如硅可靠性。如硅PNPPNP型晶体管，其电应力比为型晶体管，其电应力比为0.30.3时，高温时，高温130130的基的基本失效率为本失效率为13.913.91010-6-6h h-1-1，而在，而在2525时的基本失效率为时的基本失效率为2.252.251010-6 6h h-1-1，高低温失效率之比为，高低温失效率之比为6:16:1。冷却系统的设计必须在预期的热。冷却系统的设计必须在预期的热环境下，把电子元器件的温度控制在规定的数值以下。环境下，把电子元器件的温度控制在规定的数值以下。应根应根据所据所要要求求的设的设备备可靠性和可靠性和分配给每个分配给每个元器件的失效率，元器
6、件的失效率，利用利用元器件应力元器件应力分析分析预计预计法法，确确定元器件的定元器件的最最高高允许工作允许工作温度和温度和功耗功耗。中国电子电器可靠性工程学会中国电子电器可靠性工程学会中国电子电器可靠性工程学会中国电子电器可靠性工程学会?热设计应热设计应满足满足设备预设备预期期工作的热环境的要求工作的热环境的要求电子设电子设备备预期预期工作工作的热环境的热环境包括：包括：?环境温度和环境温度和压压力（或高度）的力（或高度）的极限极限值值?环境温度和环境温度和压压力（或高度）的力（或高度）的变化变化率率?太阳太阳或或周围周围其其它物它物体的体的辐射辐射热热载荷载荷?可可利用利用的热的热沉状况沉状
7、况（包括：种类包括：种类、温度、温度、压压力和力和湿湿度度等等）?冷却冷却剂剂的的种类种类、温度、温度、压压力和力和允许允许的的压压降降中国电子电器可靠性工程学会中国电子电器可靠性工程学会中国电子电器可靠性工程学会中国电子电器可靠性工程学会?热设计应热设计应满足对满足对冷却冷却系统系统的的限限制要求制要求?供供冷却系统使冷却系统使用用的电的电源源的的限限制（制（交流交流或或直流及功直流及功率）率）?对强迫对强迫冷却设冷却设备备的的振动振动和和噪声噪声的的限限制制?对强迫空气对强迫空气冷却设冷却设备备的的空气出口空气出口温度的温度的限限制制?对对冷却系统的冷却系统的结构限结构限制（制（包括安装条
8、包括安装条件、件、密密封封、体、体积积和和重量等重量等）?热设计应热设计应符合与其相关符合与其相关的的标准、规范规标准、规范规定定的要求的要求中国电子电器可靠性工程学会中国电子电器可靠性工程学会中国电子电器可靠性工程学会中国电子电器可靠性工程学会1.2 热设计应考虑的问题?应应对对冷却方法进冷却方法进行权衡行权衡分析，使设备的分析，使设备的寿命周寿命周期费期费用用降至降至最最低低，而而可用性最高可用性最高?热设计热设计必须与维修必须与维修性设计性设计相结合相结合，提高设备的，提高设备的可可维修维修性性?设备中设备中关键关键的的部部件件或或器件，器件，即即使使在在冷却冷却系统某系统某些部些部分分
9、遭到破坏或不遭到破坏或不工作的工作的情况下情况下，应，应具具有有继继续续工作的能工作的能力力?对于对于强迫空气冷却，冷却空气的强迫空气冷却，冷却空气的入口入口应应远离其远离其它它设备热空气的设备热空气的出口出口，以，以免过免过热热?舰船舰船用电子设备，应用电子设备，应避免在避免在空气的空气的露露点温度以点温度以下下工作工作；机载；机载设备设备宜采宜采用用间接间接冷却冷却中国电子电器可靠性工程学会中国电子电器可靠性工程学会中国电子电器可靠性工程学会中国电子电器可靠性工程学会?应考虑应考虑太阳辐射给太阳辐射给电子设备电子设备带来带来的热问题，应的热问题，应有有相相应的应的防护措施防护措施?应应具具
10、有有防止诸如燃料油微粒、灰尘、纤维微粒防止诸如燃料油微粒、灰尘、纤维微粒等沉积物等沉积物和和其它其它老老化的化的措施措施，以，以免免增大增大设备的设备的有有效效热热阻阻，降低降低冷却冷却效果效果?应应尽量尽量防止防止由由于于工作工作周期、周期、功率变功率变化化、热环境热环境变变化以及冷却化以及冷却剂剂温度温度变变化化引起引起的热的热瞬变瞬变，使器，使器件的温度件的温度波动减小波动减小到到最最低低程度程度?应选择应选择无毒无毒性的冷却性的冷却剂剂；直直接接液液体冷却体冷却系统系统的的冷却冷却剂剂应应与与元器件及元器件及相接相接触触的的表面表面相相容容，不不产产生腐蚀生腐蚀和和其它其它化学化学反反
11、应应中国电子电器可靠性工程学会中国电子电器可靠性工程学会中国电子电器可靠性工程学会中国电子电器可靠性工程学会第二章 电子设备热设计方法2.1 热设计的基本问题热设计的基本问题2.2 传热基本传热基本准准则则2.3 换换热计算热计算2.4 热电热电模拟模拟2.5 热设计热设计步骤步骤中国电子电器可靠性工程学会中国电子电器可靠性工程学会中国电子电器可靠性工程学会中国电子电器可靠性工程学会2.1 热设计的基本问题?耗耗散的热散的热量决量决定定了了温温升升，因此也决因此也决定定了任了任一一给给定结定结构构的工作温度的工作温度?热流热流量是量是以以导导热热、对、对流和流和辐射辐射传传递递出出去去的，的，
12、每每种种传热传热形形式式所所传传递递热热量量与其与其热热阻成反比阻成反比?在在稳态条稳态条件件下下，存存在在着着热热平平衡衡?热流热流量量、热热阻阻和温度和温度是是热设计中的热设计中的重重要要参数参数?所所采采用的冷却用的冷却系统系统应应该是该是最最简单又简单又最最经济经济的，的，并适并适用用于于特特定定的电气和的电气和机机械械设备设备、环境环境条条件，件，同时同时满足满足可靠性要求可靠性要求中国电子电器可靠性工程学会中国电子电器可靠性工程学会中国电子电器可靠性工程学会中国电子电器可靠性工程学会?热设计应热设计应与其它与其它设计设计（电气设计电气设计、结、结构构设计设计、可可靠性设计靠性设计等
13、）同时等）同时进进行行，当当出出现现矛盾时矛盾时，应进，应进行行权衡权衡分析，分析，折衷解决折衷解决?热设计中热设计中允许允许有有较大较大的的误差误差?在在设计设计过过程的程的早早期期阶段阶段应应对对冷却冷却系统系统进进行行数数值值分分析和计算析和计算中国电子电器可靠性工程学会中国电子电器可靠性工程学会中国电子电器可靠性工程学会中国电子电器可靠性工程学会2.2 传热基本准则?凡凡有温有温差差的的地地方方就就有热有热量量的传的传递递。热热量量的传的传递递过过程可分程可分为为稳稳定过定过程和程和不不稳稳定过定过程程两两大大类类?传热的基本计算传热的基本计算公公式式为：为：A t=式中式中：热流热流
14、量量，W；总总传热传热系系数数，W/(m2)；A 传热传热面积面积，m2；t 热流体热流体与与冷流体冷流体之之间间的温的温差差，。?热热量量传传递递的三的三种种基本方式基本方式：导导热热、对、对流和流和辐射辐射中国电子电器可靠性工程学会中国电子电器可靠性工程学会中国电子电器可靠性工程学会中国电子电器可靠性工程学会一一、导导热热?导导热的热的微微观观机机理理气气体的体的导导热是热是气气体体分分子子不不规规则运动则运动时相时相互碰撞互碰撞的的结果；金属结果；金属导导体体中中的的导导热主要靠热主要靠自自由电子的由电子的运动完成；非导运动完成；非导电电固固体体中中的的导导热热是是通通过晶过晶格结构格结
15、构的的振动来实现；液振动来实现；液体体中中的的导导热主要热主要依依靠靠弹弹性性波波。?导导热基本热基本定定律律傅立叶傅立叶定定律律tAx=式中式中：热流热流量量，W；导导热热系系数数，W/(m)；A 垂垂直直于于热流方热流方向向的的横截横截面面积面面积，m2；x方方向向的温度的温度变变化化率率，/m。负号负号表表示示热热量量传传递递的方的方向向与与温度温度梯梯度的方度的方向向相相反反。/tx中国电子电器可靠性工程学会中国电子电器可靠性工程学会中国电子电器可靠性工程学会中国电子电器可靠性工程学会二二、对、对流流?可分可分为为自然自然对对流和强迫流和强迫对对流流两两大大类类?对对流流换换热热采采用
16、用牛顿牛顿冷却冷却公公式计算式计算()cwfh A tt=式中式中：hc 对对流流换换热热系系数数，W/(m2)；A 对对流流换换热热面积面积，m2；tw 热热表面表面温度，温度，；tf 冷却流体温度，冷却流体温度，。中国电子电器可靠性工程学会中国电子电器可靠性工程学会中国电子电器可靠性工程学会中国电子电器可靠性工程学会三三、辐射、辐射?辐射辐射能以电能以电磁磁波波的的形形式传式传递递?任任意意物物体的体的辐射辐射能能力力可用可用下下式计算式计算40AT =式中式中：物物体的体的表面表面黑黑度度；0 斯蒂芬斯蒂芬玻尔兹曼常玻尔兹曼常数数，5.6710-8W/(m2K4)；A 辐射辐射表面积表面
17、积，m2；T 物物体体表面表面的热的热力力学温度，学温度，K。中国电子电器可靠性工程学会中国电子电器可靠性工程学会中国电子电器可靠性工程学会中国电子电器可靠性工程学会2.3 换热计算一一、自然自然对对流流换换热的热的准准则则方程方程nNuCRa=式中式中：Nu 努谢尔努谢尔特特数数，Nu=hD/；Ra 瑞利瑞利数数，Ra=GrPr；Gr 格拉晓夫格拉晓夫数数，Gr=g2D3t/2；Pr 普朗普朗特特数数；C、n 由表由表2-1查得查得，定定性温度性温度取壁取壁面面温度温度与与流体温度的算流体温度的算术术平平均值均值；h 自然自然对对流流换换热热系系数数，W/(m2)；D 特特征尺寸征尺寸，m；
18、流体的流体的导导热热系系数数，W/(m)；流体的体流体的体积积膨胀膨胀系系数数，-1；g 重重力力加速加速度，度，m/s2；流体的流体的密密度，度，kg/m3；流体的流体的动动力力粘粘度，度，Pas；t 换换热热表面表面与与流体的温流体的温差差，。中国电子电器可靠性工程学会中国电子电器可靠性工程学会中国电子电器可靠性工程学会中国电子电器可靠性工程学会表表2-1 自自然然对对流流准准则则方方程程中中的的C和和n值值3105310101/40.27层层流流水水平平板热板热面面朝朝下下1052107210731010正正方方形形取边长取边长；长长方方形形取两边取两边平平均值均值；狭长狭长条条取短边取
19、短边；圆盘取圆盘取0.9d（d为圆盘为圆盘直直径径）1/41/30.540.14层层流流紊紊流流水水平平板热板热面面朝上朝上1041091091012外径外径d1/41/30.530.13层层流流紊紊流流横圆柱横圆柱1041091091012高度高度H1/41/30.590.12层层流流紊紊流流竖竖平平板板与与竖圆柱竖圆柱nC流流态态Ra范范围围特特征尺寸征尺寸系系数数C及及指指数数n图示图示加加热热表面形表面形状状与与位置位置中国电子电器可靠性工程学会中国电子电器可靠性工程学会中国电子电器可靠性工程学会中国电子电器可靠性工程学会二二、自然自然对对流流换换热的热的简简化计算化计算对在对在海海平
20、面平面采采用空气自然冷却的用空气自然冷却的多多数数电子元器电子元器件件或或小小型型设备设备(任任意意方方向向的的尺寸尺寸小小于于600mm)，可，可以以采采用以用以下下简简化化公公式进式进行行计算计算1.250.25/2.5/AC tD=式中式中：热流热流密密度，度，W/m2；A 换换热热面积面积，m2；C 系系数数，由表由表2-1查得查得；D 特特征尺寸征尺寸，m；t 换换热热表面表面与与流体流体（空气空气）的温的温差差，。中国电子电器可靠性工程学会中国电子电器可靠性工程学会中国电子电器可靠性工程学会中国电子电器可靠性工程学会三三、强迫强迫对对流流换换热的热的准准则则方程方程管管内内流流动动
21、及及沿沿平平板流板流动动的的准准则则方程方程沿沿流流动动方方向向平平板板长长度度层层流流紊紊流流105105沿沿平平板流板流动（动（或或平平行行柱柱体流体流动）动）内内径径或或当量当量直直径径式中式中：D 特特征尺寸征尺寸，m；l 管管长长，m；l 平平均均温度温度下下流体的流体的动动力力粘粘度，度，Pa；w 壁壁温温下下流体的流体的动动力力粘粘度，度，Pa；层层流流紊紊流流2200104管管内内流流动动特特征尺寸征尺寸特特征尺寸征尺寸流流态态Re范范围围换换热热表面表面形形状状0.141/31.86 Re PrlwDNul=0.80.40.023RePrNu=0.30.032ReNu=0.5
22、0.66ReNu=中国电子电器可靠性工程学会中国电子电器可靠性工程学会中国电子电器可靠性工程学会中国电子电器可靠性工程学会表表中的中的雷诺雷诺数数Re定定义义为为:ReuD=式中式中：流体的流体的密密度，度，kg/m3；u 流体流流体流速速，m/s；流体的流体的动动力力粘粘度，度，Pas；D 特特征尺寸征尺寸，m。中国电子电器可靠性工程学会中国电子电器可靠性工程学会中国电子电器可靠性工程学会中国电子电器可靠性工程学会当当管管道道为短为短管管（即即管管长长l与与管管径径d之之比小比小于于50）或或弯弯管管时时，前前表表中的中的紊紊流流准准则则方程方程右端右端应应乘乘以以相相应的应的修修正正系系数
23、数短短管管修修正正系系数数l如下如下图图所所示示中国电子电器可靠性工程学会中国电子电器可靠性工程学会中国电子电器可靠性工程学会中国电子电器可靠性工程学会弯弯管管修修正正系系数数R为为气体气体：1 1.77RdR=+液液体体：31 10.3RdR=+其其中中R为为弯弯管管曲曲率率半半径。径。中国电子电器可靠性工程学会中国电子电器可靠性工程学会中国电子电器可靠性工程学会中国电子电器可靠性工程学会四四、辐射、辐射换换热计算方程热计算方程两两物物体体表面表面之之间间的的辐射辐射换换热计算热计算公公式式为：为：4412125.67100100 xtTTAF=式中式中：T1、T2 物物体体1和和物物体体2
24、表面表面的的绝绝对对温度，温度，K；1、2 物物体体1和和物物体体2的的表面表面黑黑度度；xt 系统系统黑黑度度；A 物物体体辐射辐射换换热热表面积表面积，m2；F12 两两物物体体表面表面的的角角系系数数。121111xt=+中国电子电器可靠性工程学会中国电子电器可靠性工程学会中国电子电器可靠性工程学会中国电子电器可靠性工程学会2.4 热电模拟一一、热电热电模拟模拟方法方法将将热热流量流量（功耗功耗）模拟模拟为电为电流；流；温温差模拟差模拟为电为电压压（或（或称称电电位差位差）；热热阻模拟阻模拟为电为电阻阻，热，热导导模拟模拟为电为电导；对导；对于于瞬态传瞬态传热热问问题题，可以把热，可以把
25、热容容（c cp pq qm m）模拟模拟为电为电容容。这这种种模拟方模拟方法法适适用用于于各各种种传传热热形式形式，尤尤其是其是导导热。热。二二、热电热电模拟模拟网络网络利用利用热电热电模拟模拟的的概念概念，可以，可以解决稳态解决稳态和和瞬态瞬态的的传传热计热计算算。恒恒温热温热源等源等效于效于理想理想的的恒恒压源压源。恒恒定的热定的热流源等流源等效为效为理想理想的电的电流源流源。导导热、热、对流对流和和辐射辐射换换热的热的区域均区域均可可用用热热阻阻来来处理处理。热。热沉沉等等效于效于“接地接地”，所所有有的热的热源源和热和热回路均与回路均与其相其相连接连接，形形成成热热电电模拟网络模拟网
26、络。中国电子电器可靠性工程学会中国电子电器可靠性工程学会中国电子电器可靠性工程学会中国电子电器可靠性工程学会从从实实际传际传热热观点观点而而言言，热设计时应，热设计时应利用中利用中间间散散热器，热器，它它们一们一般般属属于设于设备备的的一部一部分分，通通常常为设为设备备的的底座底座、外壳外壳或机或机柜柜、冷、冷板板、肋片式散肋片式散热器或设热器或设备中备中的的空气空气、液液体体等等冷却冷却剂剂。三三、传热传热路路径径热热流量流量经传经传热热路径至路径至最最终终的的部位部位，通通称称为为“热热沉沉”，它它的温的温度度不不随传递随传递到到它它的热的热量量大小而大小而变变，即相，即相当当于于一一个个
27、无无限限大大容容器。热器。热沉沉可可能能是大是大气气、大、大地地、大体、大体积积的的水水或或宇宙宇宙，取决取决于于被被冷却设冷却设备所备所处处的环境。的环境。四四、热热阻阻的的确确定定?确确定定热热阻阻的的步骤步骤中国电子电器可靠性工程学会中国电子电器可靠性工程学会中国电子电器可靠性工程学会中国电子电器可靠性工程学会a.根据根据对对每每个个元器件的可靠性要求，元器件的可靠性要求，确确定定元器件的最高元器件的最高允许允许温度温度b.确确定定设备设备或或冷却冷却剂剂的最高环境温度的最高环境温度c.根据根据上上述述两两条条规定规定，确确定定每每个个元器件的元器件的允许允许温温升升d.确确定定每每个个
28、元器件冷却元器件冷却时所时所需需的热的热阻阻?热热阻阻的计算的计算ttR=式中式中Rt为为整个整个传热传热面积面积上上的热的热阻阻，/W。a.平平壁壁导导热热热热阻阻：tRA=b.对对流流换换热热热热阻阻：1tcRh A=中国电子电器可靠性工程学会中国电子电器可靠性工程学会中国电子电器可靠性工程学会中国电子电器可靠性工程学会c.辐射辐射换换热热网络网络法法任意两表面任意两表面间的间的辐射辐射网络网络如下如下图图所所示示：图图中中Eb1和和Eb2分分别代表同别代表同温度下的温度下的表面表面1和和表面表面2的的黑黑体体辐射辐射力力；J1和和J2分分别别为为表面表面1和和表面表面2的的有有效效辐射辐
29、射。中国电子电器可靠性工程学会中国电子电器可靠性工程学会中国电子电器可靠性工程学会中国电子电器可靠性工程学会2.5 热设计步骤1.熟悉熟悉和和掌握掌握与与热设计有热设计有关关的的标准、规范标准、规范，确确定定设备设备（或或元器件元器件）的散热的散热面积面积、散热器散热器或或冷却冷却剂剂的最高和最的最高和最低低环境环境温度温度范范围。围。2.确确定定可可利利用的冷却用的冷却技技术术和和限限制制条条件件。3.对对每每个个元器件进元器件进行行应应力力分析，分析，并并根据根据设备可靠性及分设备可靠性及分配配给给每每个个器件的器件的失失效率效率，确确定定每每个个器件的最高器件的最高允许允许温度温度。确确
30、定定每每个发个发热元器件的热元器件的功耗功耗。4.画画出出热电热电模拟模拟网络网络图。图。5.由由元器件的元器件的内内热热阻阻确确定其定其最高最高表面表面温度温度。6.确确定定器件器件表面表面至至散热器散热器或或冷却冷却剂所剂所需需的的回路回路总总热热阻阻。7.根据根据热流热流密密度和有度和有关关因因素素，对对热热阻阻进进行行分析和分析和初初步步分分配配。中国电子电器可靠性工程学会中国电子电器可靠性工程学会中国电子电器可靠性工程学会中国电子电器可靠性工程学会8.对对初初步步分分配配的各的各类类热热阻阻进进行行评评估估，以，以确确定定这这种种分分配配是是否否合合理。理。并并确确定定可以可以采采用
31、的用的或或允许允许采采用的冷却用的冷却技技术术是是否否能能够达够达到到这这些些要求要求。9.选择选择适适用用于于回路回路中中每种每种热热阻阻的冷却的冷却技技术术或或传热方法传热方法。10.估估算算所所选冷却方选冷却方案案的的成成本，本，研究研究其它其它冷却方冷却方案案，进，进行对行对比比，以，以便找便找到到最最佳佳方方案案。11.热设计的热设计的同时同时，还还应考虑可靠性应考虑可靠性、安全安全性性、维修、维修性及电性及电磁磁兼兼容容设计设计。中国电子电器可靠性工程学会中国电子电器可靠性工程学会中国电子电器可靠性工程学会中国电子电器可靠性工程学会第三章 冷却方法的选择3.1 冷却方法的分冷却方法
32、的分类类3.2 冷却方法的选择冷却方法的选择3.3 冷却方法选择冷却方法选择示示例例3.4 冷却冷却技技术术的的极极限限中国电子电器可靠性工程学会中国电子电器可靠性工程学会中国电子电器可靠性工程学会中国电子电器可靠性工程学会3.1 冷却方法的分类?按按冷却冷却剂剂与与被被冷元件冷元件之之间间的的配置配置关系关系a.直直接接冷却冷却b.间接间接冷却冷却?按按传热传热机机理理a.自然冷却自然冷却（包括包括导导热热、自然自然对对流和流和辐射辐射换换热的热的单单独独作用作用或或两两种种以以上上 换换热热形形式的式的组组合合）b.强迫冷却强迫冷却（包括强迫包括强迫风风冷和强迫冷和强迫液液体冷却体冷却等）
33、等）c.蒸发蒸发冷却冷却d.热电热电致致冷冷e.热管传热热管传热f.其它其它冷却方法冷却方法中国电子电器可靠性工程学会中国电子电器可靠性工程学会中国电子电器可靠性工程学会中国电子电器可靠性工程学会3.2 冷却方法的选择一一、温温升升为为40时时，各各种种冷冷却却方方法法的的热热流流密密度度和和体体积积功功率率密密度度值值如如右右图图(图图3.1)所所示示中国电子电器可靠性工程学会中国电子电器可靠性工程学会中国电子电器可靠性工程学会中国电子电器可靠性工程学会二二、冷却方法可以冷却方法可以根据根据热流热流密密度和温度和温升升要求，要求，按按下下图图(图图3.2)关系关系进进行行选择选择。这这种种方
34、法方法适适用用于于温温升升要要求求不不同同的各的各类类设备的冷却设备的冷却中国电子电器可靠性工程学会中国电子电器可靠性工程学会中国电子电器可靠性工程学会中国电子电器可靠性工程学会1)当换热表面和介质的温差为25时；2)当换热表面和介质的温差为110时。0.381.82)18003800有机液蒸汽膜状凝结2.6112)1100026000水蒸气膜状凝结最大1351)最大54000水沸腾(蒸发冷却)1444350011000水强制对流(水冷)0.2420605000油强制对流(油冷)0.10.625150空气强制对流(风冷)0.92.3230580水自然对流0.0240.064616空气自然对流表
35、面表面热流热流密密度度,W/cm,W/cm2 2(当换当换热热表面表面和和介质介质的温的温差差为为40)换换热热系系数数W/(mW/(m2 2K)K)冷却方法冷却方法中国电子电器可靠性工程学会中国电子电器可靠性工程学会中国电子电器可靠性工程学会中国电子电器可靠性工程学会三三、设备设备内内部部的散热方法应使的散热方法应使发发热元器件热元器件与与被被冷却冷却表面表面或或散热器散热器之之间间有一有一条条低低热热阻阻的传热的传热路路径。径。四四、利利用用金属金属导导热热是是最基本的传热方法，最基本的传热方法，其其热热路路容容易控易控制制。而辐射而辐射换换热热则则需需要要比较比较高的温高的温差差，且且传
36、传热热路路径径不不容容易控易控制制。对对流流换换热热需需要要较大较大的的面积面积，在在安装安装密密度度较较高的设备高的设备内内部部难难以以满足满足要求要求。五五、大大多多数小数小型型电子元器件最电子元器件最好好采采用自然冷却方法用自然冷却方法。自然自然对对流冷却流冷却表面表面的最的最大大热流热流密密度度为为0.039W/cm2。有有些些高温元器件的热流高温元器件的热流密密度可高度可高达达0.078W/cm2。六六、强迫空气冷却强迫空气冷却是是一一种较种较好好的冷却方法的冷却方法。若若电子电子元器件元器件之之间间的空的空间间有有利利于于空气流空气流动动或或可以可以安装安装散散热器热器时时，就就可
37、以可以采采用强迫空气冷却用强迫空气冷却。中国电子电器可靠性工程学会中国电子电器可靠性工程学会中国电子电器可靠性工程学会中国电子电器可靠性工程学会七七、直直接接液液体冷却体冷却适适用用于于体体积功率积功率密密度度较较高的元器高的元器件件 或或设备设备。直直接接液液体冷却要求冷却体冷却要求冷却剂剂与与元器件元器件相相容容，其其典型典型热热阻阻为为每平每平方方厘米厘米1.25/W。直直接接强迫强迫液液体冷却的热体冷却的热阻阻为为每平每平方方厘米厘米0.03/W。八八、直直接接沸腾沸腾冷却冷却适适用用于于体体积功率积功率密密度度很很高的设高的设备备或或元器件，元器件，其其热热阻阻值为值为每平每平方方厘
38、米厘米0.006/W。九九、热电热电致致冷冷是是一一种产生种产生负负热热阻阻的的致致冷冷技技术。术。优优点点是是不不需需要要外外界界动动力、力、且且可靠性高可靠性高；缺缺点点是重是重量大量大、效率效率低低。十十、热管热管是是一一种种传热传热效率效率很很高的传热器件，高的传热器件，其其传传热性能热性能比比相相同同的的金属金属导导热要高热要高几几十十倍倍，且且两两端端的温的温差差很很小小。应用热管应用热管时时，主主要问题要问题是是如如何何减减小小热管热管两两端端接接触触界界面面上上的热的热阻阻。中国电子电器可靠性工程学会中国电子电器可靠性工程学会中国电子电器可靠性工程学会中国电子电器可靠性工程学会
39、3.3 冷却方法选择示例功耗功耗为为300W的电子的电子组组件，件，拟拟将将其其装装在在一一个个248mm381mm432mm的的机机柜里柜里，放放在在正常正常室室温的空气中，温的空气中，是是否需否需要要对对此此机机柜柜采采取取特特殊殊的冷却的冷却措施措施？是是否否可以可以把把此此机机柜柜设计设计得得再再小小一一些些？体体积功率积功率密密度度：33007350/0.2480.381 0.432VW mV=热流热流密密度度：()230020.2480.3810.2480.4320.381 0.432410/W m=+=由由于于V很很小小，而而值值与与图图3.1中空气自然冷却的最中空气自然冷却的最
40、大大热流热流密密度度比较比较接接近近，因此因此不不需需要要采采取取特特殊殊冷却方法，冷却方法，依依靠空气的自然靠空气的自然对对流散热流散热就就足足够够了了。由由图图3.1可可知知，若若采采用强迫用强迫风风冷，热流冷，热流密密度度为为3000W/m2，因因此此，采采用用风风冷冷时时，可以，可以把把机机柜柜表面积减小表面积减小到到0.1m2（自然冷却自然冷却所所需需的的面积面积为为0.75m2）。中国电子电器可靠性工程学会中国电子电器可靠性工程学会中国电子电器可靠性工程学会中国电子电器可靠性工程学会3.4 冷却技术的极限一一、各各种种冷却冷却技技术术极极限限散热温度93工作持续时间3h一次性的蒸发
41、剂冷却每制冷1000W 需要功率2501000W环境温度71（对于特别设计的蒸发循环设备，200）蒸发循环冷却散热温度100冷却负载300W温差电偶冷却器中国电子电器可靠性工程学会中国电子电器可靠性工程学会中国电子电器可靠性工程学会中国电子电器可靠性工程学会二二、常常用冷却用冷却技技术术单单位位面积面积的最的最大功耗大功耗1)1)表面表面和和液液体体之之间间每每度温度温差差。8003 00016 0005001)160 0005107与与环境空气的自然环境空气的自然对对流和流和向向周周围围的的辐射辐射直直接接气冷气冷（强迫强迫风风冷冷）空气冷却板空气冷却板与与液液体的自体的自由由对对流流液液体
42、冷却冷板体冷却冷板蒸发蒸发冷却冷却单单位位传热传热面积面积的最的最大功耗大功耗冷却冷却技技术术W/m2中国电子电器可靠性工程学会中国电子电器可靠性工程学会中国电子电器可靠性工程学会中国电子电器可靠性工程学会第四章 电子元器件的热特性4.1 半半导导体器件的热特性体器件的热特性4.2 磁磁芯芯元件的热特性元件的热特性4.3 电电阻阻器的热特性器的热特性4.4 电电容容器的热特性器的热特性中国电子电器可靠性工程学会中国电子电器可靠性工程学会中国电子电器可靠性工程学会中国电子电器可靠性工程学会4.1 半导体器件的热特性?半半导导体器件体器件生产生产厂商厂商应提应提供供的热特性的热特性参数参数包括包括
43、：器件工作器件工作参数参数与与温度的温度的关系关系曲曲线线，最高和最，最高和最低低的的储储存存温度，最高工作温度，最高工作结结温及有温及有关关的热的热阻阻值。值。?进进行行电电路路设计设计时时，应，应参参照照器件可靠性器件可靠性标准标准中中规规定定的的失失效率效率与与温度的温度的关系关系曲曲线线，降低降低工作工作结结温，以温，以便便获获得理得理想想的可靠性的可靠性。由由于于设备和设备和系统系统的可靠性的可靠性是是元器件元器件失失效率效率的的函函数数，因此因此只只有有经经过过细细致致的可靠性设计，的可靠性设计，才才能能控控制制结结温温不不超超过过允允许许值。值。中国电子电器可靠性工程学会中国电子
44、电器可靠性工程学会中国电子电器可靠性工程学会中国电子电器可靠性工程学会?需需要用要用内内热热阻阻将将结与结与外外部部环境环境相相联联系系。器件的器件的结结壳壳热热阻阻Rjc可可按按下下式计算式计算：maxmaxjBjcttRP=式中式中：Rjc 结结外外壳壳热热阻阻，/W；tjmax 最最大大结结温，温，；tB 器件的器件的外外壳壳基基座座温度，温度，；Pmax 最最大功耗大功耗，W。一一、小功率小功率晶晶体管体管a.结结外外壳壳热热阻阻Rjc该该值在使值在使用用时应时应注意两点注意两点：在多在多头引线头引线器件器件中中，导导线线热热阻阻比比通通过过外外壳壳的热的热阻阻大大几几倍倍，故故可可忽
45、略忽略不不计计。壳外壳外侧侧温度温度变化变化范范围围可可能能很很大，应大，应知知道道外壳外壳上上用来确用来确定定R Rjcjc的的参考参考点点管管壳壳的基的基座座温度。温度。中国电子电器可靠性工程学会中国电子电器可靠性工程学会中国电子电器可靠性工程学会中国电子电器可靠性工程学会b.结结空气热空气热阻阻Rja当当元器件之间元器件之间空气空气间间隙很隙很大、相大、相互互影响很影响很小、小、且且以以对流对流换换热为主热为主要要途途径径时，可时，可采采用用此此值。值。用用此参此参数数确确定定结结温时，应温时，应仔细估仔细估计计空气空气温度。温度。c.元器件的最元器件的最大功耗大功耗Pmax最最大大功耗
46、功耗是是指保持指保持给给定的定的最最大大结结温，在规定的温，在规定的正正常常环境环境条条件（件（一一般般指指空气空气温度或温度或壳壳温为温为2525）下，元器件可以）下，元器件可以耗耗散散的的最最大大功耗功耗。由。由此此可可以以转转换换成成R Rjcjc或或R Rjaja小功率小功率晶晶体管的体管的引引线线导导热热是是一一种种高热高热阻阻通通路路。其其内内部键合部键合引引线线的热的热阻阻更更大大。这这种种热流热流通通路路在在热热回路回路中中通通常常可以可以忽略忽略不不计计。外。外壳壳至至衬垫衬垫之之间间的的导导热热是是最最好好的传热方法的传热方法。散热散热效果效果取取决决于于安装安装状状况况。
47、二二、功率功率晶晶体管体管功功率晶体管在设计时率晶体管在设计时通通常常在其在其结结和和外壳外壳结构结构之间设之间设置了置了低热低热阻阻的的通通路路。为。为了了使使通通过管过管座座的热的热量量得到得到扩扩散散，同同时时加加大热大热容容量量和为和为耐耐热热瞬瞬变变提提供供保护保护，将将管管座座设计得设计得较厚较厚，从而使得管，从而使得管座座的温度的温度变化变化较较小。小。功率功率晶晶体管的传热体管的传热主主要要是是通通过过管管座座的的导导热，热，因此因此安装安装表面表面必须必须平平整整光滑光滑，以，以减小减小界界面面热热阻阻。中国电子电器可靠性工程学会中国电子电器可靠性工程学会中国电子电器可靠性工
48、程学会中国电子电器可靠性工程学会三三、集集成成电电路路集集成成电电路路的的结结壳壳热热阻与阻与芯芯片片尺寸尺寸及及材料材料、焊焊接接材料材料、基、基板板或或外壳外壳材料材料及封装及封装的的几几何何结构结构形形状等状等因因素素有有关关。在。在混合混合电电路路器件器件中中环环氧树脂焊氧树脂焊接接芯芯片片的热的热阻阻可可达达120120/W/W，双列双列直直插插式式（DIPDIP）塑塑封封器件的器件的芯芯片片热热阻阻大大约约为为135 135/W/W。大多数。大多数混合混合电电路路单单元元芯芯片与片与封装封装外壳表面外壳表面的热的热阻阻值为值为252540 40/W/W。集集成成器件的器件的外部外部
49、热热通通路路必须必须注意注意封装封装表面表面的的导导热热散散热。热。与与晶体管相晶体管相似似，为，为保证保证接接触良好触良好，最最好采好采用用弹弹性性安装安装垫垫、弹弹簧夹簧夹，同同时在时在安装安装界界面面处处采采用导用导热热膏膏（脂脂）或）或导导热热橡胶橡胶。四四、中中规规模模和和大大规规模模集集成成电电路路（MSI和和LSI）MSIMSI和和LSILSI中中的的每个结每个结的的功耗功耗一般一般都很都很小，小，但但是器件的是器件的总总功耗功耗可可能能很很大。为大。为了保证集了保证集成成电电路路可靠可靠工作工作，通通常常规定规定了了允许允许的的衬衬底底温度或温度或最最大大功功耗耗。散散热是热是
50、一一种种或多或多种种外部外部低热低热阻传阻传热热路径路径的设计的设计问题问题。衬衬底与底与安装安装表表面面之间应之间应有有紧密的热紧密的热接接触触。安装结构安装结构在在垂垂直直于于安装安装表面方表面方向向应应具具有有比比较较高的高的导导热系数，以热系数，以保证衬保证衬底底温度的温度的均均匀匀性。性。中国电子电器可靠性工程学会中国电子电器可靠性工程学会中国电子电器可靠性工程学会中国电子电器可靠性工程学会五五、微、微波波器件器件微微波波器件器件对对温度温度非非常常敏感敏感。为。为了了降低器件的内热降低器件的内热阻阻，某些某些器件要器件要采采用金用金刚石做框架刚石做框架。因。因此此在电子器件在电子器