電子散熱設計講義課件

電子冷卻散熱設計通論凌昕

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?熱設計的概念和基礎

?冷卻方法的選擇

?風道設計的基本原則

?風機的選用方法和原則

?噪聲測量及控制

?PCB板熱設計

?散熱器的選擇

?熱測試的目的和方法

?熱仿真分析熱設計的概念和基礎

(Source:USAirForceAvionicsIntegrityProgram)圖2:電子產品失效的主要原因

55%Temperature溫度19%Humidity

潮濕20%Vibration振動6%Dust

粉塵圖1:結點壽命統(tǒng)計(Source:GECResearch)故障率\10萬小時來源：GEC研究院來源：美國空軍航空電子整體研究項目ThePrimaryCauseforFailureinElectronicEquipment

電子設備故障的主要原因結點溫度(“熱”對電子可靠性的影響1.約40%以上的電子產品可靠性(壽命)故障是由溫度問題引起的法則：電子零件的溫度每上升10度，壽命減少一半。2.電子器件性能隨工作溫度的增加而改變（電容影響最明顯）3.電子封裝失效的比例直接與熱成正比，而且與封裝的最高溫度成指數增長

失效的比例可描述為： F=Ae-E/KTwhere,F=failurerate,失效率A=constant常數E=activationenergyinelectronvolts(eV)激活的電能K=Boltzmann’sconstant(8.63e-5eV/K),andT=junctiontemperatureinK熱設計的定義綜合利用傳導、對流及輻射三種換熱手段，設計發(fā)熱源至環(huán)境的低熱阻通路，以滿足設備散熱要求的過程稱為熱設計。熱設計的目的為了保證產品在指定的環(huán)境規(guī)格條件下正常工作

并達到產品的可靠性目標，從而滿足對產品各部

分溫升的限制性要求。熱設計目標是可靠性目標

的一部份。

熱量傳遞的基本方式熱量總是自發(fā)地從高溫區(qū)傳向低溫區(qū)或從物體高溫部分傳向低溫部分。三種傳遞方式：1、傳導2、對流3、輻射常用材料的導熱系數：鋁約180、壓鑄鋁120、鐵約40、銅390（但銅的密度是鋁的3倍，重量、價格）,石墨是各向異性，x方向是10，Y，Z方向可以達到600，而且重量很輕。導熱系數大，內部溫差就小熱管是一種傳熱能力極高的結構，其導熱系數可達10000以上對流流體通過一固體表面時發(fā)生的流體與固體壁面的換熱現象。Q----對流散熱量,WhC----換熱系數,W/m2·℃A----有效換熱面積,m2△t----換熱表面與流體溫差,℃Q=hcA△t對流換熱對流換熱量與兩個因素有關，表面流速與換熱面積。我們使用散熱片，實質上就是增加換熱面積；當速度增加到一定程度后，換熱量的增加就不是很明顯；通常，在風機強迫冷卻的情況，插箱單板間的風速可超過1m/s。輻射通過電磁波傳遞熱量的過程。Q=ε·σ·T4Q----輻射散熱量,Wε----散熱表面輻射率,W/m2·℃σ----斯蒂芬-玻爾茲曼常數,5.67×108(W/m2K4)T----絕對溫度,K輻射換熱

輻射換熱主要要求溫差大；輻射率的影響因素：材料、表面粗糙度、波長等；對戶外設備，輻射率大，吸收率也大，因此要注意防輻射的措施；對于自然散熱的情況，必須考慮輻射散熱，這時，輻射散熱是一種重要的散熱方法；對于強迫冷卻的設備，可以忽略輻射散熱。熱阻將熱流量（功耗）模擬為電流；溫差模擬為電壓；熱阻模擬為電阻。冷卻方法的選擇選擇冷卻方法時，主要考慮設備的熱流密度、體積功率密度、溫升、使用環(huán)境、用戶要求等。注意：1、保證所采用的冷卻方法具有較高可靠性；2、冷卻方法應具有良好的適應性；3、所采用的冷卻方法應便于測試、維修和更換；4、所采用的冷卻方法應具有良好的經濟性；自然散熱當電子設備的熱流密度小于0.08w/cm2，體積功率密度不超過0.18w/cm3時，通?？刹捎米匀粚α骼鋮s。自然對流冷卻是利用空氣流過物體表面時的能量交換，利用空氣的密度與溫度關系(熱空氣往上走），將熱量帶走。在自然散熱中，傳導、對流、輻射都要考慮。強迫風冷當電子設備的熱流密度超過0.08w/cm2，體積功率密度超過0.18w/cm3時，單靠自然冷卻不能完全解決它的冷卻問題，需要外加動力進行強迫空氣冷卻。強迫空氣冷卻一般是用通風機，使冷卻空氣流經電子元器件將熱量帶走。風道設計的基本原則風道定義：產品不管采用自然散熱，還是強迫風冷，首先必須合理地設計風道。風道是由機箱（插箱）、單板（元器件）、模塊、進/出風口等組成，依靠結構設計來實現。根據散熱方式的不同，風道可以分為自然散熱風道和強迫散熱風道，對于使用空調/換熱器的戶外系統(tǒng)，又包括內風道和外風道。風道設計的基本原則–降低系統(tǒng)的壓力損失，力求對氣流的阻力最??；–合理控制氣流和分配氣流；–保證流過關鍵熱源的風速；–防止風道中產生空氣回流；–進出口盡量遠離，避免風流短路；–防止系統(tǒng)中發(fā)熱部件（插箱）的相互影響。風機的選用方法與原則風機分類電子設備散熱設計中經常用到的風機可以分為三類：軸流式風機、離心式風機和混流式風機。軸流風機：風機的進風口與出風口平行；風量大、風壓小、噪音小、種類繁多、價格便宜；在通訊產品中較多的使用；離心風機：風機的進風口與出風口垂直；風量小、風壓高、噪音大、價格高、供應商少；一般用于阻力較大的發(fā)熱元器件或機柜的冷卻；混流風機：風機的進風口與出風口平行；其性能介乎軸流風機和離心風機之間，風量大、風壓也大；其出風與進風有一傾斜角度，如有兩個風機并聯(lián)，則風量可以擴散到整個插框。風扇馬達基本零組件

Transistor(電晶體)─電流放大

StatorCoil(線圈)─產生磁場

Thermistor(熱敏電阻)─溫控調節(jié)

StatorArmature(定子)─定向磁場

HallEffectSensor(霍爾感應元件)─高低電平切換

RotorMagnet(磁鐵)─沖磁力使馬達運轉風機的選擇選擇風機時應考慮的因素包括：風量、風壓（靜壓）、效率、空氣流速、系統(tǒng)（風道）阻力特性、應用環(huán)境條件、噪聲以及體積、重量等，其中風量和風壓是主要參數。根據電子設備風冷系統(tǒng)所需之風量和風壓及空間大小確定風機的類型。當要求風量大、風壓低的設備，盡量采用軸流式通風機，反之，則選用離心式通風機。通風機的類型確定后，再根據工作點來選擇具體的型號和尺寸。風機的特性曲線與工作點一般風機規(guī)格上給出的特性曲線是風機在標稱轉速下得到的，隨著轉速的提高，風機的風量和風壓會增大。風機的總壓力是用來克服系統(tǒng)（或通風管道）的阻力的，并在出口處形成一定的速度頭。圖中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三條曲線分別代表不同系統(tǒng)（風道）的阻力特性曲線。系統(tǒng)（風道）的阻力特性曲線與風機的特性曲線交點就是這個風機的工作點。如果風機安裝在系統(tǒng)Ⅱ中，其工作點就是B點，風量為qvB(m3/s)，風壓為pB(Pa)。風機的串聯(lián)和并聯(lián)當所選風機的風量或風壓不能滿足要求時，可采用串聯(lián)或并聯(lián)工作方式來滿足要求：當風機的風量能滿足要求，而風壓不夠時，可采用風機串聯(lián)的工作方式，以提高其工作壓力。當風道特性曲線比較平坦，需增大風量時，可采用并聯(lián)系統(tǒng)。并聯(lián)系統(tǒng)的優(yōu)點是氣流路徑短，阻力損失小，氣流分布比較均勻，但效率低當風機串聯(lián)時，其風機特性曲線發(fā)生變化：風量基本上是每臺風機的風量（略有增加），而風壓則為相同風量下兩臺風機風壓之和，如圖（a）所示。當風機并聯(lián)使用時，其風壓比單個風機的風壓稍有提高，而總的風量是各風機風量之和，如圖（b）所示。風機的其他問題風機的壽命：通常風機資料上給出的壽命是在一定溫度下的L10（通常是40度），通常為50000小時左右，風機的壽命與其工作溫度有很大的關系，如果溫度每升高10度，壽命會下降一半；風機的失效：風機失效的兩個常用判據：風機的風量小于實際風量的30%（通常根據轉速）；風機的噪音突然增大；風機的噪音：與其轉速關系最大，調速是降低噪的有效途徑。抽風與吹風首先，風機的特點是：進風口流速較均勻，無流動死區(qū)，而出風口流體向外發(fā)散的角度約45℃，四周流速大，中間流速小，還存在死區(qū)；其次，沒有絕對的抽風好還是吹風好，需要根據具體的情況確定。吹風的優(yōu)點是，出風口直接對準被冷卻部分，風量集中，風壓大，適用于熱量分布不均勻，需要對專門區(qū)域進行集中冷卻的情況；系統(tǒng)中為正壓，灰塵等不易進入。缺點是風速不均勻，存在死區(qū)（低速區(qū)），根據進風的不同，還可能存在局部回流區(qū)；進風流經風扇后，溫度會有所升高。而抽風不存在死區(qū)，風速較均勻，能較均勻地流過被冷卻表面，適用于阻力大的系統(tǒng)；不利的是系統(tǒng)中為負壓，在惡劣環(huán)境中灰塵易進入，風扇所處的環(huán)境溫度較高，影響壽命。噪聲的測量與控制噪聲聲音的本質是波動人耳可感覺的聲波范圍是20Hz～20000Hz人體聽覺對聲音信號強弱刺激反應不是線性的，而是成對數比例關系一切無規(guī)律的或隨機的聲音，或是一切不希望存在的干擾聲都是噪聲聲壓由聲波引起的大氣壓力變化的部分，通常記作p，單位是帕（Pa）聲壓級Lp：聲壓級（dB）p：聲壓（Pa）p0：基準聲壓，

聲功率

單位時間內給定聲源所產生的平均聲能量，單

位是瓦（W）

聲功率級

Lw：聲功率級（dB）

W：聲功率（W）

W0：基準聲功率，2×10-12W

聲級的合成運算絕大多數情況下的噪聲，聲源之間互不相干。聲能量（聲功率）可以代數相加，聲壓不能直接代數相加，聲壓的平方可以代數相加LT：總聲級Ln：第n個聲源所產生的聲級如LP1=LP2，即兩個聲源的聲壓級相等，則總聲壓級：聲壓級與聲功率級的比較?聲壓級–表示聲場中某一點的強度–隨距離衰減–在實驗室測量到的聲壓級與現場測量到的聲壓級是不同的–可以用聲級計直接測量得到–單位：dB(A)?聲功率級–表示聲源的輻射強度，衡量聲源發(fā)聲能力–與聲源的安裝位置和安裝環(huán)境無關–聲功率級有利于不同廠家的產品的比較–無法直接測量，必須通過測量聲壓級或聲強級后計算得到–單位：Bels（＝10dB）?計權網絡

–為了能用儀器直接反映人的主觀響度感覺的評價量，在噪聲測量儀器——聲級計中設計了一種特殊濾波器，即計權網絡。通過計權網絡測得的聲壓級，已不再是客觀物量的聲壓級，而是計權聲壓級或計權聲級，簡稱聲級。

–通用的計權聲級有A、B、C、D、F

–在實際應用中發(fā)現，無論是強或弱的噪聲，A計權聲級都能較好地反映人對噪聲吵鬧的主觀感覺。因此目前基本上都采用A聲級來作為噪聲評價標準。

常見環(huán)境噪聲常見的噪音標準?ISO7779-1999——Acoustics-Measurementofairbornenoiseemittedbyinformationtechnologyandtelecommunicationsequipment（聲學.信息技術設備和通信設備空氣噪聲的測量）?T1.TR.54-1997——RecommendedMethodsforMeasuringAcousticNoiseEmmission美國電信標準（T1）：測量聲學噪聲釋放的推薦方法?ISO6926-1999——Acoustics-Requirementsfortheperformanceandcalibrationofreferencesoundsourcesusedforthedeterminationofsoundpowerlevels聲學.噪聲源聲功率級的測定所用標準聲源的性能要求與校準?ISO10302-1996——Acoustics-Methodforthemeasurementofairbornenoiseemittedbysmallair-movingdevices聲學.小型送風設備的空氣噪聲測量方法噪聲限值標準?ETSIETS300753Edition1：1997.10——EquipmentEngineering(EE);Acousticnoiseemittedbytelecommunicationsequipment歐洲電信標準化協(xié)會：設備工程；電信設備發(fā)出的音響噪聲?BELLCOREGR-63-CORE：NEBS（NetworkEquipment-BuildingSystem）Requirements:PhysicalProtection室內設備噪聲限值?TelcordiaGR-487-CORE（Issue2,2000.3）：GenericRequirementsforElectronicEquipmentCabinets戶外設備噪聲限值噪聲控制一般產品的噪聲來源風機噪聲?轉速與噪聲dB2?dB1=50lg(RPM2/RPM1)其中，RPM表示風機轉速，dB表示噪聲值。?數量與噪聲

其中，是n個風機總的聲級，是單個風機的聲級?風機載荷與噪聲阻力、噪聲較小阻力、噪聲很小阻力、噪聲很大氣流再生噪聲結構振動引起的機械噪聲?常用的噪聲控制方法控制噪聲源?降低風機噪聲：選用大口徑、低轉速風機；風機調速?降低氣流再生噪聲：風道優(yōu)化，減少結構阻力?降低結構振動噪聲：避免共振–控制噪聲傳播途徑?隔聲?吸聲?消聲–個人防護PCB板熱設計采用散熱PCB–印制線路板上敷有金屬導熱板–印制線路板上敷有金屬導熱條–印制線路板中間夾有導熱金屬芯

導熱印制板在設計時要特別注意：由于金屬和環(huán)氧玻璃纖維板的熱膨脹系數差別較大，如膠接不當，可能引起電路板翹曲。印制板上電子元器件的熱安裝技術

安裝在印制板上的元器件的冷卻，主要依靠導熱提供一條從元器件到印制板及機箱側壁的低熱阻路徑。元器件與散熱印制板的安裝形式如下圖所示。為降低從器件殼體至印制板的熱阻，可用導熱絕緣膠直接將元器件粘到印制板或導熱條（板）上。若不用粘結，應盡量減小元器件與印制板或導熱條（板）間的間隙。安裝大功率器件時，若采用絕緣片，可考慮導熱硅橡膠片。為了減小界面熱阻，還應在界面涂一層薄的導熱膏。同一塊印制板上的元器件，應按其發(fā)熱量大小及耐熱程度分區(qū)排列，耐熱性差的器件放在冷卻氣流的最上游（入口處），耐熱性好的器件放在最下游（出口處）。有大、小規(guī)模集成電路混合安裝的情況下，應盡量把大規(guī)模集成電路放在冷卻氣流的上游，小規(guī)模集成電路放在下游，以使印制板上元器件的溫升趨于均勻。因電子設備的工作溫度范圍較寬，元器件引線和印制板的熱膨脹系數不一致，在溫度循環(huán)變化及高溫條件下，應注意采取消除熱應力的一些結構措施。如下圖所示。對于具有軸向引線的圓柱形元件（如電阻、電容和二極管），應當提供的最小應變量為2.54mm，如圖5-13a所示。大型矩形元件（如變壓器和扼流圈），應像圖5-13b、c那樣留有較大的應變量。在印制板上安裝晶體管，常使晶體管底座與板面貼合，如圖5-14a所示。這是一種不好的安裝方式，因為引線的應變量不夠，會導致焊點隨印制板厚度的熱脹冷縮而斷裂。安裝晶體管的幾種較好方法如圖5-14(b)～(e)所示。印制板導軌熱設計

印制板導軌起兩個作用：導向和導熱。作為導熱用時，應保證導軌與印制板之間有足夠的接觸壓力和接觸面積，并且保證導軌與機箱壁有良好的熱接觸。下圖是一些典型的導軌結構及其熱阻值。印制板的合理間距–對于依靠自然通風散熱的印制板，為提高它的散熱效果，應考慮氣流流向的合理性。–對于一般規(guī)格的印制板，豎直放置時的表面溫升較水平放置時小。–豎直安裝的印制電路板，自然散熱時的最小間距應為19mm，以防止自然流動的收縮和阻塞。散熱器的選擇散熱器的選擇流程根據元器件的熱流密度、體積功率密度、溫升要求及散熱方式（自然冷卻、強迫風冷），確定是否加裝散熱器。一般地說，熱流密度小于0.08W/cm2，采用自然冷卻方式；熱流密度超過0.08W/cm2，體積功率密度超過0.18W/cm3，須采用強迫風冷方式。當然，應用上述這個判據是有前提的：一是上述方法是假設熱量均勻分布在整個設備的體積中；二是設備內的熱量能充分地傳到設備表面。根據器件功耗、環(huán)境條件及器件溫度降額要求的允許結溫，確定散熱器的形狀并通過計算，計算出散熱器的表面積。合理選用散熱器，降低散熱器熱阻右圖為安裝于散熱器上的功率器件等效熱路圖其中：——功率器件的內熱阻，通常由器件的制造廠家提供。——器件殼體直接向周圍環(huán)境的換`熱熱阻，稱為器件的外熱阻；——器件與散熱器安裝面之間的接觸熱阻；——散熱器熱阻。由于遠大于其它熱阻值，因此總熱阻計算式為：設計要求功率器件的結溫應滿足：1.散熱器表面應進行氧化發(fā)黑處理,以增強輻射換熱效果。在自然對流情況下,輻射換熱作用較突出,可以提高25%的散熱量,所以,除非是器件附近有高熱源,散熱器表面都應涂覆或氧化發(fā)黑處理以提高輻射性能。2.散熱器的材質，一般推薦選用鋁型材、鑄鋁或純銅。3.根據要求，可以選用平板式散熱器、鋁型材散熱器、叉指型散熱器；也可以選擇熱管散熱器，冷板按散熱器，熱板（vaporchamber)散熱器，石墨散熱器。4.鋁型材散熱器的齒面應加波紋齒，型材散熱器的肋片表面增加波紋可以增加10%到20%的散熱能力，波紋齒的高度為0.5mm，寬度為0.5mm～1mm，以增加對流換熱效果。5.應保證鋁型材散熱器基板有一定厚度，以減小傳導熱阻。6.散熱器性能與垂直氣流方向的寬度成正比，與氣流方向長度的平方根成正比，所以增加散熱器寬度的效果要好于增加長度；對于散熱器的流向長度大于300mm，應把散熱器的齒片從中間斷開，以增加空氣擾動，提高對流換熱效果。還要注意的幾點散熱器的安裝要求1.器件與散熱器的接觸面應保持平整光潔,散熱器的安裝孔要去刺。2.器件與散熱器和導熱絕緣膜間的所有接觸面處應涂導熱硅脂或加其它導熱絕緣材料。3.免涂導熱硅脂的導熱絕緣膜在接觸面處可以不涂導熱硅脂。4.對于自然冷卻方式，鋁型材散熱器的安裝應使齒槽與水平面垂直,以增強自然對流效果；對于強迫冷卻方式，鋁型材散熱器的安裝應使齒槽與風的流向平行。5.為了減少器件與散熱器之間的接觸熱阻，應適當增加接觸力。為避免使元器件受力，散熱器須有適當的固定支撐點。散熱器的加工工藝Stamped(沖壓件)Aluminumextrusions(鋁擠)Casting(鑄造)Bonded&swagedfin(插齒)Foldedfinassemblies(折疊齒)Skived(鏟削)Coldforged(冷鍛)Soldering(焊接)Stamped(沖壓件)Aluminumextrusions(鋁擠)Casting(鑄造)Bonded&swagedfin(插齒)TypicalBondedFinHeatSinkExtrudedBaseSheetmetalorExtrudedFinsMax.ratio~60:1Foldedfinassemblies(折疊齒)

Skived(鏟削)Soldering熱管簡述熱管的構成如下圖所示：主要包括三個部分：外殼、工作流質和毛細吸液層。通常外殼材料為純銅；工作流質為純凈水（對于其他用途的熱管，工作流質也可為其它種類），含量很少；根據熱管內部毛細層的不同，常見的熱管可分為纖維型、溝槽型、篩網型和燒結型，其中溝槽型和燒結型應用最廣，各種類型熱管的優(yōu)、缺點如下表所示。熱管是一種傳導率非常高的導熱材料，可達30000W/m.℃以上，熱管的導熱率不是恒定的。在一定范圍內，通常受熱端溫度越高，則熱管導熱率越高。但是當溫度到達一定程度時，熱管的導熱率會急劇下降，造成失效。因此對于不同規(guī)格的熱管，都有一個最大傳輸功率。熱管應用的場合：將熱管打扁，嵌入散熱器的底部，利用其超高的導熱能力來解決高功率密度造成的熱收縮效應；將熱管折彎，與外部散熱器相聯(lián)結，可解決在設計空間受到限制的情況下，大熱耗器件（芯片）的散熱問題。熱管應用的注意事項：熱管盡可能少打扁和折彎，必須折彎時，折彎半徑盡可能大；熱管與散熱器（肋片）的聯(lián)結，一般用焊接，盡可能不用過盈配合。焊接時，一般用低溫錫焊；當熱管散熱器用在戶外產品中，直接暴露在空氣中時，要進行適當的涂覆處理。表各種類型熱管的優(yōu)、缺點管芯結構優(yōu)點缺點篩網型制作成本低價格適宜熱反應快折彎后品質變異度大(內網易因彎曲而形，影響蒸氣流斷切面積，液體回流不易)溝槽型成本低可打扁率高熱反應快傳熱功率最小毛細力受重力方向的影響粉末燒結型傳熱功率最高易于后序加工(折彎，打扁)毛細力強.打扁厚度受限成本較高受變形、沖擊易碎纖維型彎曲或扁平加工時,仍能維持良好的毛細力液體單向回流，因此不易受音速、毛細等限制因構造復雜,本體制造較不容易單價成本高圖熱管的構成篩網型

纖維型溝槽型燒結型熱仿真的一般步驟：1、建立模型；2、賦予屬性；3、設置求解域和相應的邊界條件；4、劃分網格；5、求解；6、結果分析。熱仿真分析熱仿真分析的目的通過建立合適的模型進行熱分布和熱特性分析，預計各器件的工作溫度，包括環(huán)境溫度和熱點溫度。使得產品在不損害電氣性能、并符合可靠性要求的前提下，使設備的壽命周期費用降至最低，實現熱設計的目標。通過熱仿真實現合理的熱分布，選定最佳的熱設計方案或對已定的熱設計方案做出評估，使熱設計最優(yōu)化，以提高可靠性。熱仿真分析范圍系統(tǒng)級分析著眼于機柜、插箱等整個系統(tǒng)，分析整個系統(tǒng)的流場、溫度分布情況；單板級分析給定單板的局部環(huán)境，分析單板上芯片的散熱情況，以優(yōu)化器件的布板與單板的接地、過孔等設計；芯片級分析建立芯片的詳細封裝模型，分析芯片內部的溫度分布情況。芯片的模型有物理模型和熱阻模型。熱仿真軟件?熱仿真軟件可以在三維模型中模擬電子系統(tǒng)的熱輻射、熱傳導、熱對流、流體溫度、流體壓力、流體速度和運動矢量,也可以模擬強迫散熱、真空狀態(tài)或自然散熱等。?對電子系統(tǒng)從環(huán)境、系統(tǒng)、印制板及器件內部等不同層次，就散熱、溫度場、和內部流體運動狀態(tài)進行高效、準確的定量分析。?熱仿真分為模型建立（前處理）、模型求解（求解）和結果解釋（后處理）三個過程。應用軟件通常相應的分為前處理器、求解器和后處理器三部分。熱測試的步驟1、測試方案的制定；2、測試環(huán)境的考慮；3、測試點的選擇；4、傳感器的安裝；5、測試數據的采集；6、測試數據的分析。在熱測試中，還可以對各種方案進行對比，以選擇較好的方案。熱測試的目的和方法熱測試的目的熱測試的目的是對熱設計的效果進行檢驗，對冷卻系統(tǒng)的適用性和有效性進行評價，除了檢查新設計的冷卻系統(tǒng)是否達到預定技術指標外，還要對機架、集中發(fā)熱元器件、整機系統(tǒng)的熱特性參數進行測量，為熱設計提供技術數據。電子設備常用熱測試技術及設備溫度測量–