電子設(shè)備熱控制技術(shù)和優(yōu)化方法

1、電子設(shè)備熱控制技術(shù)和優(yōu)化方法電子設(shè)備熱設(shè)計熱設(shè)計理論基礎(chǔ)熱設(shè)計基本原理液體冷卻強(qiáng)迫風(fēng)冷自然冷卻蒸發(fā)冷卻熱電致冷熱管傳熱熱測試技術(shù)電子設(shè)備熱設(shè)計參考資料1、電子設(shè)備熱控制與分析2、電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計原理5、GJB/Z27電子設(shè)備可靠性熱設(shè)計4、微電子設(shè)備的換熱3、電子設(shè)備冷卻技術(shù)6、Thermal computation of Electronic Equipment7、電子機(jī)器的熱對策（日文）電子設(shè)備熱控制目的 組件和設(shè)備的熱流密度增長趨勢為芯片級、元件級、組件級及系統(tǒng)級提供良好的熱環(huán)境保證芯片級、元件級、組件級及系統(tǒng)級的熱可靠性防止電子元器件的熱失效電子設(shè)備熱環(huán)境環(huán)境溫度和壓力（或高度）的極限

2、值及變化率太陽或周圍物體的輻射值地面設(shè)備：周圍空氣溫度、濕度、氣壓、空氣流 速，周圍物體形狀和黑度，日光照射冷卻劑種類可利用的熱沉機(jī)載設(shè)備：飛行高度、飛行速度、安裝位置，有 無空調(diào)艙，周圍空氣溫度、速度等艙船設(shè)備：周圍空氣溫度、濕度，有無淡水，艙 室溫度，日照情況等熱設(shè)計基本要求滿足可靠性要求滿足熱環(huán)境的要求與維修性設(shè)計相結(jié)合，易維修與電路設(shè)計同時進(jìn)行滿足對冷卻系統(tǒng)的限制要求根據(jù)經(jīng)濟(jì)性、安全性等，選擇冷卻方法尺寸、重量、冷卻所需功、熱設(shè)計基本原則保證良好的冷卻功能保證可靠性良好的經(jīng)濟(jì)性良好的維修性有良好的適應(yīng)性冷卻方法選擇（1）自然散熱（對流和輻射）強(qiáng)迫風(fēng)冷浸沒自然對流冷卻強(qiáng)迫水冷浸沒沸騰冷卻

3、10241024622410346824682246810-11001010-221溫升表面熱流密度 W/cm2冷卻方法選擇（2）空氣空氣介質(zhì)液體水介質(zhì)液體水介質(zhì)液體自然散熱強(qiáng)迫對流蒸發(fā)冷卻1.16311.63116.3116311630傳熱系數(shù)W/m2空氣流速 315m/S流體流速 0.31.5m/S電子設(shè)備熱設(shè)計理論基礎(chǔ)傳熱學(xué) ( 傳熱計算)流體力學(xué) ( 阻力計算)輻射對流導(dǎo)熱 導(dǎo) 熱單層平壁導(dǎo)熱導(dǎo)熱基本定律溫度場 導(dǎo)熱熱阻多層平壁導(dǎo)熱單層圓筒壁導(dǎo)熱多層圓筒壁導(dǎo)熱接觸熱阻的影響因素接觸表面接觸點(diǎn)的數(shù)量、形狀、大小及分布規(guī)律接觸表面的幾何形狀（波紋度和粗糙度）接觸表面的硬度間隙中介質(zhì)種類（真

4、空、液體、氣體等）非接觸間隙的平均厚度接觸表面的壓力大小接觸表面的氧化程度和清潔度接觸材料的導(dǎo)熱系數(shù)減小接觸熱阻的方法加一薄紫銅片或延展好的高導(dǎo)熱系數(shù)材料加低熔點(diǎn)合金（銦合金）提高界面間的接觸壓力在接觸表面涂一薄層導(dǎo)熱脂（膏）導(dǎo)熱的數(shù)值分析有限元素法有限差分法有限差分法求解步驟（2）討論與該差分格式對應(yīng)的線形代數(shù)方程解的唯一性（3）求解代數(shù)方程組，得到區(qū)域內(nèi)的溫度分布（1）構(gòu)成差分格式有限元素法求解步驟（2）寫出單元的泛函表達(dá)式（3）構(gòu)造每個單元內(nèi)的插值函數(shù)（1）區(qū)域離散化（5）構(gòu)成代數(shù)方程組（6）求解代數(shù)方程組（4）求泛函極值條件的代數(shù)方程表達(dá)式對流換熱影響因素流體流動發(fā)生的因素流體流動的狀

5、態(tài)換熱面的幾何形狀和位置流體的物理性質(zhì)對流換熱系數(shù)對流換熱現(xiàn)象換熱系數(shù)空氣自然對流310氣體強(qiáng)迫對流20100水自然對流2001000水強(qiáng)迫對流100015000水沸騰200025000高壓水蒸汽強(qiáng)迫對流5003500水蒸汽凝結(jié)500015000對流換熱計算準(zhǔn)則數(shù) 名稱 物理意義定性溫度：特征尺寸準(zhǔn)則方程豎放平板柱體 水平板(熱面朝上) 水平板(熱面朝下)109109210721073105 31010流態(tài)層流紊流層流紊流層流C0.100.590.540.150.27n1/41/31/41/31/4特征尺寸高度正方形取邊長圓盤取0.901狹長條取短邊矩形L=2ab/(a+b)自然對流換熱計算管

6、內(nèi)流動定性溫度: 流體平均溫度特征尺寸: 管子內(nèi)徑或當(dāng)量直徑紊流準(zhǔn)則方程層流準(zhǔn)則方程注:上述公式或適用于直管、長管否則要乘相應(yīng)修正系數(shù)強(qiáng)迫對流換熱定性溫度: 特征尺寸: 流體流動方向板或柱體的長度L紊流準(zhǔn)則方程層流準(zhǔn)則方程強(qiáng)迫對流換熱計算沿平板流動（或沿柱體軸線流動）對流換熱的數(shù)值計算連續(xù)方程能量方程動量方程輻射換熱的基本概念吸收率反射率穿透率輻射換熱的基本定律普朗克定律四次方定律基爾霍夫定律實(shí)際物體的輻射和吸收黑體的輻射角系數(shù)交叉線法有效輻射平行平板間的輻射換熱輻射換熱計算黑度: 主要取決于物體表面狀態(tài)熱阻網(wǎng)絡(luò)計算法 (兩個表面以上的輻射計算)表面熱阻空間熱阻兩表面間傳熱計算熱流體冷流體固體

7、壁(平壁或圓筒)圓筒壁肋壁傳熱肋效率：熱 阻輻射熱阻對流熱阻導(dǎo)熱熱阻 接觸傳熱電子設(shè)備自然冷卻設(shè)計技術(shù)自然冷卻設(shè)備的結(jié)構(gòu)因素機(jī)殼熱設(shè)計機(jī)殼通風(fēng)孔面積機(jī)殼表面處理PCB自然冷卻熱設(shè)計印制線（導(dǎo)體）尺寸的確定PCB上元器件熱安裝技術(shù)盡量利用DIP的引線導(dǎo)熱粘接技術(shù)采用散熱PCB（導(dǎo)熱條、導(dǎo)熱板、夾芯板）冷熱分區(qū)排列元件排列方向有利于氣流流動與冷卻（阻力）減小元件熱應(yīng)變的安裝技術(shù)導(dǎo)軌熱設(shè)計PCB熱計算均勻熱負(fù)荷導(dǎo)熱條熱計算普通PCB熱計算(1)(2)(3)(4)半導(dǎo)體用散熱器熱計算集成電路的熱分析離散熱源產(chǎn)生的收縮效應(yīng)（1）無限大的導(dǎo)熱介質(zhì)上的圓熱源（3）長窄條熱源在有限導(dǎo)熱介質(zhì)上（2）有限大的導(dǎo)熱

8、介質(zhì)上的圓熱源（4）短而窄熱源在有限導(dǎo)熱介質(zhì)上表面溫度r1-熱源半徑， r2-圓柱半徑長窄條熱源收縮效應(yīng)有限大圓形導(dǎo)熱介質(zhì)無限大圓形導(dǎo)熱介質(zhì)短窄條熱源其中2a-熱源寬度，2b-窄條寬度，l-窄條長度2d窄條熱源長度，2c短條長度典型微電路組裝圖芯片結(jié)到外殼的傳熱2.52W3.24W2.81W3.03W55電子設(shè)備強(qiáng)迫空氣冷卻單個元件風(fēng)冷整機(jī)鼓風(fēng)冷卻整機(jī)抽風(fēng)冷卻大機(jī)柜中屏蔽盒的通風(fēng)冷卻出風(fēng)口外部對流外部輻射內(nèi)部對流風(fēng)機(jī)濾塵器空氣入口大機(jī)柜PCB熱計算每厘米7個肋片（鋁）160入口出口元器件0.6多層印制板0.954.8941.20.233100空芯PCB風(fēng)冷PCB組件風(fēng)冷出口PCB2.5空氣入口

9、軸流風(fēng)機(jī)雛形風(fēng)道機(jī)殼200(1)(2)(3)(4)(5)(6)表2第1點(diǎn)第2點(diǎn)第3點(diǎn)第4點(diǎn)第5點(diǎn)第6點(diǎn)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系統(tǒng)的壓力損失表1通道形式說明速度頭(HV)損失數(shù)普通管道端發(fā)藍(lán)管道端圓滑進(jìn)口伸出進(jìn)口0.0

10、40.490.932.70速度頭通風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)確定恒速風(fēng)扇；3相，115伏，400周454 JS馬達(dá) 15500轉(zhuǎn)/分，25瓦變速風(fēng)扇（Altivar）：單相400，415YS馬達(dá)11000轉(zhuǎn)/分，18瓦不穩(wěn)定點(diǎn)機(jī)箱阻力曲線543210510152021ABm3/mincmH2O通風(fēng)機(jī)的選擇種類、特點(diǎn)工作點(diǎn)特性曲線通風(fēng)機(jī)串聯(lián)通風(fēng)機(jī)并聯(lián)結(jié)構(gòu)因素對風(fēng)冷效果影響通風(fēng)機(jī)位置元件的排列風(fēng)道結(jié)構(gòu)形式熱源位置紊流器漏風(fēng)的影響風(fēng)冷設(shè)計基本原則合理控制氣流和分配氣流集中熱源，單獨(dú)風(fēng)冷元器件排列原則力求對氣流的阻力最小進(jìn)出口盡量遠(yuǎn)離，避免風(fēng)流短路電子設(shè)備液體冷卻直接液體冷卻蒸汽不再循環(huán)有攪動發(fā)熱元器件浸入冷卻液（無

11、蒸發(fā)）蒸汽再循環(huán)元器件或組件浸入冷卻液（有蒸發(fā)）TCM技術(shù)無攪動間接液體冷卻冷板技術(shù)（液冷）泵和熱交換器泵的選擇流量壓力離心泵泵的種類齒輪泵軸流式泵熱交換器的種類列管間壁式順流逆流叉流往復(fù)流緊湊式單流體冷板熱 計 算傳 熱冷流體熱流體 對數(shù)平均溫差（適用于順流逆流）（1）由已知條件，由熱平衡方程，求另一個未知溫度（2）求tm（5）核算流體阻力（4）由傳熱方程求換熱面積A（3）布置換熱面，計算傳熱系數(shù)K（6）若阻力偏大，則重新設(shè)計對數(shù)平均溫差法熱交換器的設(shè)計計算（1）（1）計算傳熱系數(shù)K（2）計算NTU及（5）由熱平衡方程求（4）計算傳熱量（3）計算或查表得有效度有效度傳熱單元數(shù)法（ NTU）熱

12、交換器的設(shè)計計算（2）冷卻劑物理特性（沸點(diǎn)、冰點(diǎn)、傾斜點(diǎn)、閃點(diǎn)、燃點(diǎn)等）熱特性相容性經(jīng)濟(jì)性冷卻劑評價標(biāo)準(zhǔn)自然對流強(qiáng)迫對流（層流）強(qiáng)迫對流（紊流）電氣特性（介電強(qiáng)度、體積電阻率、介電常數(shù)等）液體冷卻系統(tǒng)的設(shè)計（1）確定冷卻方式，選擇冷卻劑確定流量（或流速）由t2根據(jù)熱平衡方程確定其流量選擇二次冷卻方式（熱交換器類型）確定冷流體在熱交換器中的走向、確定h1和h2確定冷、熱流體的溫差（t1=710，t2=5）液體冷卻系統(tǒng)的設(shè)計（2）根據(jù)h1和h2及tm,確定KA值，進(jìn)行設(shè)計或選擇計算阻力損失選用管路和閥水套設(shè)計（發(fā)射管）由流量和阻力損失選泵控制保護(hù)裝置冷 板冷板結(jié)構(gòu)形式氣冷式液冷式氣冷式冷板肋片封端

13、平直形肋鋸齒形肋燕尾形燕尾槽形多孔形肋矩形外凸矩形封端底板蓋板肋片冷板換熱計算（1）熱平衡方程換熱方程 冷板換熱計算（2）冷板總的壓力損失冷板有效度 （Ac為通道截面積， Afr為冷板截面積）冷板校核設(shè)計（1）溫升（肋效率）（總效率）冷板校核設(shè)計（2）傳熱單元數(shù)若不滿足（6）（7）條件，重新計算壓力損失初步確定結(jié)構(gòu)形式及尺寸、選肋由定性溫度，確定冷卻劑物性參數(shù)定性溫度 tf=(2ts+t1+t2)/4出口溫度 t2 =t1+t冷卻劑溫差通道截面積 Ac=b1S2 （S2單位寬度的通道面積）單位面積質(zhì)量流量冷板設(shè)計計算（1）冷板深度 D1=A/S1b1 （S1單位面積的傳熱面積）壓降 PP比較A

14、A ， PP，若不滿足，重新設(shè)定b，D值，直至符合要求冷板設(shè)計計算（2）電子設(shè)備的蒸發(fā)冷卻原理蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的組成汽水兩相冷卻蒸發(fā)冷卻的應(yīng)用蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的設(shè)計計算超蒸發(fā)冷卻熱電致冷原理塞貝克效應(yīng)珀爾帖效應(yīng)付立葉效應(yīng)焦耳效應(yīng)湯姆遜效應(yīng)熱電致冷的熱計算致冷量性能系數(shù)最大溫差最大致冷量最佳工作電流材料品質(zhì)因數(shù)最佳性能系數(shù)最佳致冷量設(shè)計程序最佳性能系數(shù)設(shè)計方法熱電致冷器的結(jié)構(gòu)及應(yīng)用結(jié) 構(gòu)特 點(diǎn)應(yīng) 用蒸發(fā)端冷凝端毛細(xì)泵力蒸發(fā)端冷凝端熱管的工作原理（1）熱管的工作原理（2）熱管結(jié)構(gòu)與材料分類蒸汽流量調(diào)節(jié)熱管過量流體熱管充氣熱管結(jié)構(gòu)材料工作液（要求）管芯（材料、要求）管殼（材料、要求）熱管傳熱極限粘性限聲速限

15、毛細(xì)限沸騰限攜帶限聲速限粘性限毛細(xì)限攜帶限沸騰限熱管應(yīng)用與設(shè)計設(shè)計步驟吸液芯參數(shù)確定（截面積AW，蒸汽通道截面積AV）管殼設(shè)計（壁厚、封頭厚度）工作液的選擇計算工作液充裝量傳熱極限的校驗(yàn)設(shè)計要求（工作溫度、傳熱量、工作環(huán)境、結(jié)構(gòu)尺寸、其他）應(yīng)用（管狀、平板、可控?zé)峁埽╇娮釉O(shè)備熱測試技術(shù)溫度測量壓力測量流量測量溫度測量熱電偶測溫（原理、制作、測試）紅外線測溫儀熱敏電阻（-80200）溫度敏感涂料（381800）液晶測溫壓力與流量測量液柱壓力計（U形管、傾斜或杯式、微壓計）節(jié)流式流量計彈簧或壓力表畢托管測流量（流速）轉(zhuǎn)子流量計低熱阻設(shè)計技術(shù)低熔點(diǎn)合金填料低熱阻芯片1.微焊接技術(shù)2有機(jī)介質(zhì). 材料3

16、.基板技術(shù)4.熱介質(zhì)材料低熱阻優(yōu)化散熱器.微焊接技術(shù)基板技術(shù)有機(jī)介質(zhì)材料熱介質(zhì)材料高效熱控制技術(shù)微通道散熱器熱管技術(shù)相變冷卻:液體相變冷卻固體相變冷卻高效熱控制技術(shù)微通道散熱器微通道散熱器組裝激光切割微通道散熱器MCM與微通道散熱器零熱阻熱管（1）鉸鏈熱管（2）微型熱管（3）仙人掌熱管散熱器微型熱管散熱器薄膜熱電致冷不同流體的換熱系數(shù)h (W/cm2)h (W/cm2)h (W/cm2)h (W/cm2) 相變冷卻（1）相變冷卻（2）表1降低幾種傳熱熱阻的方法導(dǎo)熱熱阻自然對流熱阻強(qiáng)迫對流熱阻輻射熱阻接觸熱阻縮短導(dǎo)熱路徑增大導(dǎo)熱面積選導(dǎo)熱系數(shù)大的材料流體流動不受阻礙散熱面垂直放置增大散熱面積水平

17、熱面向上 液體比氣體好增大流速增大表面粗糙度加紊流器增大散熱面積增大黑度增大角系數(shù)增大散熱面積提高溫差增大接觸面積表面光滑平整接觸材料軟增大接觸壓力界面涂導(dǎo)熱劑低熱阻散熱器優(yōu)化技術(shù)準(zhǔn)則方程優(yōu)化遺傳算法優(yōu)化表1降低幾種傳熱熱阻的方法導(dǎo)熱熱阻自然對流熱阻強(qiáng)迫對流熱阻輻射熱阻接觸熱阻縮短導(dǎo)熱路徑增大導(dǎo)熱面積選導(dǎo)熱系數(shù)大的材料流體流動不受阻礙散熱面垂直放置增大散熱面積水平熱面向上 液體比氣體好增大流速增大表面粗糙度加紊流器增大散熱面積增大黑度增大角系數(shù)增大散熱面積提高溫差增大接觸面積表面光滑平整接觸材料軟增大接觸壓力界面涂導(dǎo)熱劑低熱阻散熱器優(yōu)化技術(shù)準(zhǔn)則方程優(yōu)化遺傳算法優(yōu)化功率器件低熱阻技術(shù)ASIC器件物理模型xyz20芯片鍵合方式IC芯片焊料IC芯片焊料凸點(diǎn)焊料IC芯片 (a) 絲