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电子设备热控制技术 2007年8月北京 电子设备热控制 设计 技术 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 热测试技术低热阻及高效热控制技术 电子设备热 控制 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 ThermalcomputationofElectronicEquipment 7 电子机器的热对策 日文 热设计标准介绍 国家标准 GB7423 GB T12992 GB T14278 GB T15428 国家军用标准 GJB Z27 行业标准 SJ2709 SJ3230 SJ T10158 QJ1474 行业军用标准美国热设计标准 MIL HDBK 251 TR 82 172 MIL T 23103A 芯片与器件的热流密度增长趋势 电子设备热设计目的 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 热控制 设计 基本要求 满足可靠性要求 基本失效率 温度T 和电应力比s GJB Z299 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 热控制 设计 基本原则 保证良好的冷却功能 可用性与微气候 保证可靠性 良好的经济性 性价比 良好的维修性 有良好的适应性 相容性 冷却方法选择 1 冷却方法选择 2 电子设备热控制 设计 理论基础 传热学 传热计算 计算传热学 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 提高界面间的接触压力 在接触表面涂一薄层导热脂 膏 导热膏 脂 胶 1 SZ 中温 高效导热脂导热系数 k 0 467w m c2 GWC型导热胶导热系数 k 0 5w m c3 GB 51导热脂导热系数 k 0 7w m c4 L 11导热绝缘胶导热系数 k 1 1635w m c 接触热阻与表面粗糙度接触压力的关系 对流换热影响因素 流体流动发生的原因 自然对流与强迫对流 流体流动的状态 层流与紊乱流 换热面的几何形状和位置 平板 圆管 肋面与横放 竖放 水平或垂直等 流体的物理性质 导热系数 比热 密度 黏度等 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 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 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 自然冷却设计原则 1 提高设备内部电子元件向机壳的传热能力 2 提高机壳向外界的传热能力 3 尽量降低传热路径各个环节的热阻 形成一条低热阻热流通路 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 机壳热设计 电子设备的机壳是接受内部热量 并将其散发到周围环境中去的一个重要组成部分 机壳的热设计在采用自然冷却和一些密封式的电子设备中显得格外重要 为了说明机壳结构对电子设备温度的影响 可以通过图3所示的实验装置加以说明 其中热源为80W 位于实验装置的中心位置 机壳用各种不同结构形式的铝板制成 可进行任意组合 以便满足不同结构形式的需要 实验装置尺寸为404 304 324mm 1 增加机壳内外表面的黑度 开通风孔等 都能降低电子元器件的温度 2 比较试验2和试验6 机壳内外表面高黑度的散热效果比低黑度开通风孔的散热效果好 以试验1为为基准 内外表面高黑度时 内部平均温度降低约20 而低黑度有通风孔时 温度只降低8 左右 3 机壳两侧均为高黑度的散热效果优于只是一侧高黑度时的散热效果 提高外表面的黑度是降低机壳表面温度的有效方法 4 在机壳内外表面增加黑度的基础上 合理地改进通风结构 加强冷却空气的对流 可以明显地降低设备内部的温度 开通风孔的基本原则 通风孔要有利于气流形成有效的自然对流通道通风孔尽量对准发热元器件进风孔与出风孔要远离 防止气流短路 开在温差较大的相应位置 进风孔尽量低 出风孔则尽量高进风孔要注意防尘和电磁泄漏 热屏蔽 尽可能将热通路直接连接到热沉减少高温与低温元器件之间的辐射耦合 加热屏蔽板 形成热区和冷区尽量降低空气的温度梯度将高温元器件安装在内表面高黑度 外表面低黑度的机壳中 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 印制导体尺寸与电流 温升的关系 a 金属夹芯印制板 b 普通印制板 PCB温度分布 消除热应力的元件安装方法 a c b 导轨结构形式 30 5km 0 15 2km 条件 B A D 各种导轨的热阻值 mm W C 267 203 203 153 46 48 305 394 a b c d 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 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 a d c b A 圆形热源的收缩效应 B 窄条热源的收缩效应 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 a b 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 整机抽风冷却 有风道与无风道两种适用于热量比较分散的整机抽风冷却特点 风量大 风压小 各部分风量比较均匀风机位置一般安装在机柜的顶部或上侧面 整机鼓风冷却 有鼓风管道与无鼓风管道两种适用于整机内热量分布不均匀 热量集中 阻力大的整机鼓风的特点 风压大 风量比较集中风机的位置在机箱的下侧部或低部 大机柜中屏蔽盒的通风冷却 热计算 空芯PCB风冷 用速度头表示电子机箱的压降 与速度的关系为 没有空气流动的增压电子机箱 鼓风通过电子机箱时的压头特性 电子机箱抽风时的压头特性 PCB组件风冷 PCB之间间隙形成的冷却通道 各个部件的压头 a 伸出管道 不良进口 b 倾斜边缘 良好进口 轻型叶翼轴式风扇的空气流通横截面 类似于RotronAximax2 各种形状进口的损失 大型机柜的抽风流动 表示大型机柜流动阻力的数学模型 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 通风机并联 通风机串 并联特性曲线 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 a 较好的速度分布 b 较差的速度分布 叶片不同位置的速度分布 两种风机安装形式的比较 a 较好 b 较差 风道结构形式的影响 机柜漏风的影响 a 密封 b 抽风 c 鼓风 d 串联 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 大机柜中屏蔽盒的通风冷却 热计算 例把装有印制板的屏蔽盒插入大机柜中进行通风冷却 通过屏蔽盒间的冷却空气流速为76cm s 冷空气的入口温度为50 每个屏蔽盒的尺寸为130mm 高 140mm 长 38mm 宽 其损耗功率为4W 屏蔽盒的间距为2 5mm 如图所示 为改进屏蔽盒内部辐射换热 盒的内侧壁进行喷漆处理 试确定印制板表面和屏蔽盒表面的热点温度 a PCB在屏蔽盒中的位置 b 热路模型 解 定性温度 物性参数 风道的长宽比 故 特征尺寸 当量直径 屏蔽盒外侧对流换热面积 屏蔽盒外侧对流热阻 屏蔽盒表面温度 由于盒内元件表面至内壁之间的间隙很小 13mm 按有限空间处理 假设 为 为 按近似导热处理 热阻R1为 辐射热阻R2为 R1与R2是并联热阻 故总热阻为 与假设的温差22 接近 PCB表面温度为 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 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 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 7 10 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 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 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 冷板设计计算 2 冷板设计例 已知条件 冷板 单侧 传热功率为50W 冷板功率器件表面的 ts 80 冷板的结构尺寸见图6 9所示 肋片参数 尺寸 l f h 9 5mm 0 2mm 1 4mm 当量直径dc 2 13mm 单位面积的传热面积 单位宽度的通道截面积 冷却剂为空气 其入口温度 冷却剂流量 通道压力损失 解 1 冷板的体积 2 肋片材料导热系数 1 冷板横截面积 2 冷板通道截面积 3 总换热面积 4 冷却剂流量流经冷板的流速 流经冷板的质量流量 5 冷却剂温升 6 冷却剂出口温度 7 定性温度 取54 8 换热系数 9 肋片效率 10 传热单元数 11 冷板表面温度 12 压力损失 Kc f Re 1 1 查图6 6得 Ke f Re 0 5 查图6 7得 f f Re 0 08 查图6 8得 G2 86 3 电子设备的蒸发冷却 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 热管的基本特性与分类 1 基本特性大的传热能力等温性热流密度可变换恒温 可控热管 2 热管分类深冷热管低温热管中温热管高温热管 热管传热极限 粘性限 声速限 毛细限 沸腾限 携带限 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 热管设计要求 工作温度 选择工质 容器耐压能力 传热量 结构尺寸 管芯结构 传输长度 毛细限 温度均匀性 蒸发与冷凝段设计 管芯结构 工作环境 重力 腐蚀环境 热环境 力学条件 强度计算 工程要求 尺寸 质量 几何尺寸 可靠性 瞬时性能 启动性能 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 表1管芯的毛细半径 渗透率及孔隙度数值 表2不同材料组合的相容性 表中DOW Dowtherm 导热姆换热剂 二苯及二苯氧化物的混合物 表3适用于电子设备中热管的工作液 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 80 200 温度敏感涂料 38 1800 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 In 低热阻芯片技术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 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 优化结果 1 表2SRX08D50散热器 自然冷却 优化结果 优化结果 2 表3SRX08D125散热器 自然冷却 优化结果 优化结果 3 表4SRX08D50散热器 强迫风冷 优化结果 优化结果 4 表5SRX08D125散热器 强迫风冷 优化结果功耗 19 55W 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 倒装焊接芯片温度分布 b 丝焊芯片层温度场 焊料的影响 芯片互连的基板类型 1 L型基板微缩的多层PCB工艺 用于低频IC设计 2 C型基板分厚膜与共烧多层陶瓷两类 厚膜多层分导体 介质的纯连接与有电阻器 电容器导体 介质连接系统 共烧多层陶瓷分高温共烧陶瓷与低温共烧陶瓷两种 目前C型基板材料主要氧化铝 氮化铝 氧化铍等 3 D型基板 薄膜多层互连基板 基板技术的影响 a 复合介质基板芯片层温度场 b AIN陶瓷基板芯片层温度场 基板材料的影响 有机介质材料的影响 a 介质层中无冗余通孔的芯片层温度场 b 通孔面积10 的芯片层温度场 介质层通孔面积的影响 热介质材料的影响 a 无热介质材料时的芯片层温度场 b 增加填料环氧树脂后的芯片层温度场 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 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 航天器的热控制技术 空间环境热控制的要求主动热控制技术辐射式传导式对流循环控制热电致冷被动热控制技术热控涂层隔热技术热管技术相变致冷其他 计算机辅助热分析 数值传热学 数值流体力学数值计算方法建模技术程序设计 导热的数值分析 有限元素法 变分原理 有限差分法 温度连续分布问题转化为离散点的问题 用差商去代替微商 有限差分法求解步骤 2 讨论与该差分格式对应的线性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 确立差分格式是关键 通过区域离散化 建立区域差分方程和边界条件的差分形式 构建差分格式 求解线性代数方程 得到各节点的温度 节点数越多 精度越高 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 对流换热的数值计算 连续方程 能量方程 动量方程 流体动力粘度 流体运动粘度 流体定压比热 源项 稳态 三维对流换热的通用方程为 式中u v w x y和z方向的速度分量 式中各系数的对应关系如表所列 计算机辅助热分析 计算机辅助热分析国外计算机辅助热分析 THEBES FLOTHERM FLUENT ANSYS FLOTRAN FIDAP ICPAK ESC PHOENICS HOTBOX TMG NATA CATS CFX4 STAD D等 国内计算机辅助热分析原电子部成立了热分析软件应用总体组 负责电子设备计算机辅助热分析的研究工作 雷达结构热分析 专用芯片热设计 MCM热分析 导热模块热分析 电子机箱热分析 散热器优化设计等 有7个层迭插件盒的机柜 当机柜外表面发射率e 0 2时 没有涂敷油漆 机柜内的环境空气温度 当机柜外表面发射率e 0 98时 用黑色油漆涂敷 机柜内的环境空气温度 机柜高度 cm 热源位于机柜顶部附近时 机柜内部的环境空气温升 热源位于机柜底部附近时 机柜内部的环境空气温升 热源沿高度近似均匀分布时 机柜内部的环境空气温升 谢谢