标准结构篇：5）热（散热）设计

本章目的：热设计概念，及预防控制手段。

1.热设计目的

现代的电子产品离不开热设计。如果，没有热设计，你的产品就会越来越烫手。夏天的笔记本，口袋里的智能手机，就是其中典型。究其原因，有如下四点：

1）系统的集成度越来越高；

2）大功耗器件的广泛使用；

3）系统的大容量和产品体积的小型化要求；

4）环境适应性要求越来越高（如户外产品越来越多）。

“热”对电子可靠性的影响如下：

1）约40%以上的电子产品可靠性(寿命)故障是由温度问题引起的法则：电子零件的温度每上升10度，寿命减少一半。

2）电子器件性能随工作温度的增加而改变（电容影响最明显）。

2.热设计概念

综合利用传导、对流及辐射三种换热手段，设计发热源至环境的低热阻通路，以满足设备散热要求的过程称为热设计。

3.热设计目的

热设计的目的是为了保证产品在指定的环境规格条件下正常工作并达到产品的可靠性目标，从而满足对产品各部分温升的限制性要求。

热设计目标是可靠性目标的一部份。

4.对流、传导及辐射概念

热量总是自发地从高温区传向低温区或从物体高温部分传向低温部分。其共有三种传递方式：

1）传导
2）对流
3）辐射

4.1 传导

传导是物体直接接触时, 通过分子间动能传递进行能量交换的现象。

公式：Q = K A △t / L
Q ---- 传导散热量, W
K ---- 导热系数, W/m·℃
A ---- 导体横截面积, m2
△t ---- 传热路径两端温差, ℃
L ---- 传热路径长度, m

常用材料的导热系数：

铝约180、压铸铝120、铁约40 、铜390（但铜的密度是铝的3倍，重量、价格）,石墨是各向异性，x方向是10，Y，Z方向可以达到600，而且重量很轻。

导热系数大，内部温差就小。

热管是一种传热能力极高的结构，其导热系数可达10000以上。

我们常常在芯片与散热器之间增加导热（绝缘）材料，是因为两个表面间凸凹不平，中间有空气，需要用导热性能好的材料填充。材料要求形状适应性好，尽可能薄、压力大（注意芯片能承受的最大压力）；

常见的导热介质材料有导热胶、导热硅脂、导热软硅胶垫片、导热云母片、导热相变材料等，适用场合各不相同；
由于导热硅脂的填充性好，在两个比较平的表面上，热阻比其它导热绝缘材料小；
目前常用导热硅脂的导热系数为0.8～1，但也有2、4、5，最大可达10。

4.2 对流

对流是流体通过一固体表面时发生的流体与固体壁面的换热现象。

公式： Q = hc A △t
Q ---- 对流散热量, W
hC ---- 换热系数, W/m2·℃
A ---- 有效换热面积, m2
△t ---- 换热表面与流体温差, ℃

对流换热量与两个因素有关，表面流速与换热面积。我们使用散热片，实质上就是增加换热面积；

当速度增加到一定程度后，换热量的增加就不是很明显；

通常，在风机强迫冷却的情况，插箱单板间的风速可超过1m/s。

4.3 辐射

辐射是通过电磁波传递热量的过程。
公式：Q = ε · σ · T4
Q ---- 辐射散热量, W
ε ---- 散热表面辐射率, W/m2·℃
σ---- 斯蒂芬-玻尔兹曼常数, 5.67×108(W/m2K4)
T ---- 绝对温度, K

辐射换热主要要求温差大；
辐射率的影响因素：材料、表面粗糙度、波长等；
对户外设备，辐射率大，吸收率也大，因此要注意防辐射的措施；
对于自然散热的情况，必须考虑辐射散热，这时，辐射散热是一种重要的散热方法；对于强迫冷却的设备，可以忽略辐射散热。

5.热设计流程

热设计结构在机械各个行业都有运用。

大部分所谓的热设计指的是散热的设计，但作者也接触过PTC加热产品，其实也是属于热设计的。

依据产品的不同，其结构变动较大，所以就很难有固定的标准。但总体的设计轨迹还是有轨迹可寻的，其细节部分有很多对应的标准及文档资料可以找到。设计这种有轨迹可以遵守的特征，按照总章的流程设计即可。

1）设计要求的明确与分析；（针对事物的问题所在）

2）对症选用合适标准和文档资料；

3）照章办事；

4）专业化的表现；

5）特征优化：书面形式的上升空间；

6）平时的积累，为第二步做准备。

5.1 设计要求的明确与分析；（针对事物的问题所在）

机械也有很多的子行业，不同行业对热设计的要求是非常不一样的。就如作者上述的加热设计和散热设计就不可能相同。

一般对热设计要求有：

1）温度要求；

2）温升等级；

3）压力（或高度）；

4）太阳或周围其它物体的辐射热载荷；

5）可利用的热沉状况（包括：种类、温度、压力和湿度等）；

6）冷却剂的种类、温度、压力和允许的压降

热设计必须满足需求规格书和测试的要求。

若有需求规格书，规格书中必定有对上述热设计要求的详细规定。

所以设计之前规格书的解读是非常重要的（虽然常常被从业者忽视）。

若是自行设计或没有规格书，需要根据国家行业要求收集相关的测试标准，所以产品注重质量的话会反而更加麻烦，但可以参考同行业有实力公司的规格书。

设计要求得到的方法具体做法详见：

高阶篇：4.1）QFDI（客户需求转换为设计要求）

了解自身所处的行业环境，明确热设计要求，是做好设计的第一步。

5.2 对症选用合适标准和文档资料

热设计流程分两步：

5.2.1 选用合适结构的热设计

多数热设计的目的是为了散热，也就是冷却，而不是用于加热。所以作者直接用冷却的方式说明（加热设计可参考）。

1）冷却方法的分类有：

①按冷却剂与被冷元件之间的配置关系
a. 直接冷却
b. 间接冷却
②按传热机理
a. 自然冷却（包括导热、自然对流和辐射换热的单独作用或两种以上换热形式的组合）
b. 强迫冷却（包括强迫风冷和强迫液体冷却等）
c. 蒸发冷却
d. 热电致冷
e. 热管传热
f. 其它冷却方法

2）选择冷却方法时，主要考虑设备的热流密度、体积功率密度、温升、使用环境、用户要求等。
注意：
①保证所采用的冷却方法具有较高可靠性；
②冷却方法应具有良好的适应性；
③所采用的冷却方法应便于测试、维修和更换；
④所采用的冷却方法应具有良好的经济性；

3）自然散热

当电子设备的热流密度小于0.08w/cm2，体积功率密度不超过0.18w/cm3时，通常可采用自然对流冷却。自然对流冷却是利用空气流过物体表面时的能量交换，利用空气的密度与温度关系(热空气往上走），将热量带走。
在自然散热中，传导、对流、辐射都要考虑。

4）强迫风冷

当电子设备的热流密度超过0.08w/cm2，体积功率密度超过0.18w/cm3时，单靠自然冷却不能完全解决它的冷却问题，需要外加动力进行强迫空气冷却。
强迫空气冷却一般是用通风机，使冷却空气流经电子元器件将热量带走。

5）热阻

当热量在物体内部以热传导的方式传递时，遇到的阻力称为导热热阻。

通常将热流量（功耗）模拟为电流；温差模拟为电压；热阻模拟为电阻。

几种降低传热热阻的方法：

6）选择散热结构时，一般准守的流程如下：

①按照传热机理选择散热方式，如选择自然冷却；

②从对流，传导，辐射三大热传导方式中选择合适的结构组成自然冷却。自然冷却的话三种热传导手段都要考虑。

因为各行业对热要求会有很大不同，所采用的主要手段也大不相同。所以建议对比标杆产品，选用合适的热设计结构，是最保险的。这里切记自性心爆棚，随意跨行业选用热设计结构，有利有弊的。

比如标杆产品为什么选择强迫冷却（水冷或风冷），而不是选择自然冷却这种省钱的方式，这是有原因的，切不可随意更改。

理由详见：

①高阶篇：1）标杆产品的拆解和分析(benchmarking)

②阶篇：4.3.3）DFMEA现有设计：预防控制与探测控制

作者会单独开一小节，列举些实例作为参考。

5.2.2 选用此种热设计结构对应的标准

热设计结构能按部就班一步一步设计的严格标准是很少，作者所见的热设计文档资料多为参考性质。

所以设计时需要具体精确到确定热设计结构的细节特征，并在此结构范围下再次细化标准的寻找，直到找到最小特征的标准为止。

如PCB版的热设计，先确定PCB版需要设计，再参考PCB版热设计实例去确认热设计传热机理，及需要对流、传导、辐射哪几种组合，最后依据供应商的标准确定具体尺寸和技术要求，公差等。

5.3 照章办事

5.3.1 耐心解读标准

因为热设计结构的标准不完善，就算是好的供应商提供的标准也很难说是正确完美的，所以通读、理解、梳理这些不完善的标准很需要耐心和专业素养。

5.3.2 作图

材质，尺寸与公差，测试等要求，都是要在图纸上表现。规范的图纸是实力的体现。

5.3.3 热仿真分析

因为纯粹的手动计算的不足，所以有热仿真的技术来替代计算书，越是精密的机械热仿真的要求越高。

还别说，最近作者发现很多公司对热设计仿真都有要求，这是对结构工程师的一个加分项目，可以多学学。

仿真的步骤其实都差不多，但基于流体分析的细节要求，所以有些仿真难度会很高，但也建议结构工程师一开始可以尝试一些初步的热仿真（如单板级以下的）。

热仿真分析范围包括：

①统级分析：着眼于机柜、插箱等整个系统，分析整个系统的流场、温度分布情况；

②单板级分析
给定单板的局部环境，分析单板上芯片的散热情况，以优化器件的布板与单板的接地、过孔等设计；

③芯片级分析
建立芯片的详细封装模型，分析芯片内部的温度分布情况。芯片的模型有物理模型和热阻模型。

5.4 专业化的表现

1）图纸；

一个产品的热设计的图纸包括热传导路径上的所有零件。

2）热仿真分析结果；

审计评审时请检查这两份东西。

5.5 特征优化：书面形式的上升空间

以书面形式表达热结构的优化设计方法，可以写在热仿真分析报告中。

热设计结构的优化方向有：

1）热设计结构各种参数最优化（仿真工程师工作范围）；

2）热设计结构方向优化：如将自然冷却变更为强迫冷却（结构工程师工作范围）。

5.6 平时的积累，为第二步做准备

因为没有能一步一步按部就班的设计标准，平时的积累就尤为重要了。

具体理由见对症设计总章节吧，这里就不阐述了。

6. 热设计的实例

这里作者介绍一些热设计的实例，可作为标杆设计的参考。

6.1 PCB板热设计

6.1.1 采用散热PCB

–印制线路板上敷有金属导热板;
–印制线路板上敷有金属导热条;
–印制线路板中间夹有导热金属芯。

导热印制板在设计时要特别注意：由于金属和环氧玻璃纤维板的热膨胀系数差别较大，如胶接不当，可能引起电路板翘曲。

6.1.2 印制板上电子元器件的热安装技术

安装在印制板上的元器件的冷却，主要依靠导热提供一条从元器件到印制板及机箱侧壁的低热阻路径。元器件与散热印制板的安装形式如下图所示。

①为降低从器件壳体至印制板的热阻，可用导热绝缘胶直接将元器件粘到印制板或导热条（板）上。若不用粘结，应尽量减小元器件与印制板或导热条（板）间的间隙。

②安装大功率器件时，若采用绝缘片，可考虑导热硅橡胶片。为了减小界面热阻，还应在界面涂一层薄的导热膏。

③同一块印制板上的元器件，应按其发热量大小及耐热程度分区排列，耐热性差的器件放在冷却气流的最上游（入口处），耐热性好的器件放在最下游（出口处）。

④有大、小规模集成电路混合安装的情况下，应尽量把大规模集成电路放在冷却气流的上游，小规模集成电路放在下游，以使印制板上元器件的温升趋于均匀。

⑤因电子设备的工作温度范围较宽，元器件引线和印制板的热膨胀系数不一致，在温度循环变化及高温条件下，应注意采取消除热应力的一些结构措施。如下图所示。

对于具有轴向引线的圆柱形元件（如电阻、电容和二极管），应当提供的最小应变量为2.54mm，如图5-13a所示。

大型矩形元件（如变压器和扼流圈），应像图5-13b、c那样留有较大的应变量。

在印制板上安装晶体管，常使晶体管底座与板面贴合，如图5-14a所示。这是一种不好的安装方式，因为引线的应变量不够，会导致焊点随印制板厚度的热胀冷缩而断裂。

安装晶体管的几种较好方法如图5-14(b)～(e)所示。

6.1.3 印制板导轨热设计

印制板导轨起两个作用：导向和导热。

作为导热用时，应保证导轨与印制板之间有足够的接触压力和接触面积，并且保证导轨与机箱壁有良好的热接触。下图是一些典型的导轨结构及其热阻值。

6.1.4 印制板的合理间距

–对于依靠自然通风散热的印制板，为提高它的散热效果，应考虑气流流向的合理性。

–对于一般规格的印制板，竖直放置时的表面温升较水平放置时小。

–竖直安装的印制电路板，自然散热时的最小间距应为19mm，以防止自然流动的收缩和阻塞。

6.2 散热器的选择

6.2.1 散热器的选择流程

根据元器件的热流密度、体积功率密度、温升要求及散热方式（自然冷却、强迫风冷），确定是否加装散热器。

一般地说，热流密度小于0.08W/cm2，采用自然冷却方式；热流密度超过0.08W/cm2，体积功率密度超0.18W/cm3，须采用强迫风冷方式。

当然，应用上述这个判据是有前提的：一是上述方法是假设热量均匀分布在整个设备的体积中；二是设备内的热量能充分地传到设备表面。

根据器件功耗、环境条件及器件温度降额要求的允许结温，确定散热器的形状并通过计算，计算出散热器的表面积。

6.2.2 选用散热器，降低散热器热阻

下图为安装于散热器上的功率器件等效热路图

RTj——功率器件的内热阻，通常由器件的制造厂家提供；
RTp——器件壳体直接向周围环境的换热热阻，称为器件的外热阻；
RTc——器件与散热器安装面之间的接触热阻；
RTc——散热器热阻。

由于RTp远大于其它热阻值，因此总热阻计算式为：

RT=RTj+RTc+RTf；

设计要求功率器件的结温应满足：

tj=Pc（RTj+RTc+RTf）+tf≤tj，max；

6.2.3 还要注意的几点

1）散热器表面应进行氧化发黑处理,以增强辐射换热效果。在自然对流情况下, 辐射换热作用较突出,可以提高25%的散热量, 所以, 除非是器件附近有高热源, 散热器表面都应涂覆或氧化发黑处理以提高辐射性能。

2）散热器的材质，一般推荐选用铝型材、铸铝或纯铜。

3）根据要求，可以选用平板式散热器、铝型材散热器、叉指型散热器；也可以选择热管散热器，冷板按散热器，热板（vapor chamber)散热器，石墨散热器。

4）铝型材散热器的齿面应加波纹齿，型材散热器的肋片表面增加波纹可以增加10%到20%的散热能力，波纹齿的高度为0.5mm，宽度为0.5mm～1mm，以增加对流换热效果。

5）应保证铝型材散热器基板有一定厚度，以减小传导热阻。

6）散热器性能与垂直气流方向的宽度成正比，与气流方向长度的平方根成正比，所以增加散热器宽度的效果要好于增加长度；对于散热器的流向长度大于300mm，应把散热器的齿片从中间断开，以增加空气扰动，提高对流换热效果。

6.2.4 散热器的安装要求

1）器件与散热器的接触面应保持平整光洁,散热器的安装孔要去刺。
2）器件与散热器和导热绝缘膜间的所有接触面处应涂导热硅脂或加其它导热绝缘材料。
3）免涂导热硅脂的导热绝缘膜在接触面处可以不涂导热硅脂。
4）对于自然冷却方式，铝型材散热器的安装应使齿槽与水平面垂直,以增强自然对流效果；对于强迫冷却方式，铝型材散热器的安装应使齿槽与风的流向平行。
5）为了减少器件与散热器之间的接触热阻，应适当增加接触力。为避免使元器件受力，散热器须有适当的固定支撑。