標準結構篇：5）熱（散熱）設計

 本章目的：熱設計概念，及預防控制手段。

 

1.熱設計目的

現代的電子產品離不開熱設計。若是，沒有熱設計，你的產品就會愈來愈燙手。夏天的筆記本，口袋裏的智能手機，就是其中典型。究其緣由，有以下四點：

1）系統的集成度愈來愈高；

2）大功耗器件的普遍使用；

3）系統的大容量和產品體積的小型化要求；

4）環境適應性要求愈來愈高（如戶外產品愈來愈多）。

「熱」對電子可靠性的影響以下：

1）約40%以上的電子產品可靠性(壽命)故障是由溫度問題引發的法則：電子零件的溫度每上升10度，壽命減小一半。

2）電子器件性能隨工做溫度的增長而改變（電容影響最明顯）。

 

2.熱設計概念

綜合利用傳導、對流及輻射三種換熱手段，設計發熱源至環境的低熱阻通路，以知足設備散熱要求的過程稱爲熱設計。

3.熱設計目的

熱設計的目的是爲了保證產品在指定的環境規格條件下正常工做並達到產品的可靠性目標，從而知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。

4.對流、傳導及輻射概念

熱量老是自發地從高溫區傳向低溫區或從物體高溫部分傳向低溫部分。其共有三種傳遞方式：

1）傳導
2）對流
3）輻射

4.1 傳導

傳導是物體直接接觸時, 經過分子間動能傳遞進行能量交換的現象。

公式：Q = K A △t / L
Q ---- 傳導散熱量, W
K ---- 導熱係數, W/m·℃
A ---- 導體橫截面積, m2
△t ---- 傳熱路徑兩端溫差, ℃
L ---- 傳熱路徑長度, m

經常使用材料的導熱係數：

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方向能夠達到600，並且重量很輕。

導熱係數大，內部溫差就小。

熱管是一種傳熱能力極高的結構，其導熱係數可達10000以上。

咱們經常在芯片與散熱器之間增長導熱（絕緣）材料，是由於兩個表面間凸凹不平，中間有空氣，須要用導熱性能好的材料填充。材料要求形狀適應性好，儘量薄、壓力大（注意芯片能承受的最大壓力）；

常見的導熱介質材料有導熱膠、導熱硅脂、導熱軟硅膠墊片、導熱雲母片、導熱相變材料等，適用場合各不相同；
因爲導熱硅脂的填充性好，在兩個比較平的表面上，熱阻比其它導熱絕緣材料小；
目前經常使用導熱硅脂的導熱係數爲0.8～1，但也有二、四、5，最大可達10。

 

4.2 對流

對流是流體經過一固體表面時發生的流體與固體壁面的換熱現象。

公式： Q = hc A △t
        Q ---- 對流散熱量, W
        hC ---- 換熱係數, W/m2·℃
        A ---- 有效換熱面積, m2
       △t ---- 換熱表面與流體溫差, ℃

對流換熱量與兩個因素有關，表面流速與換熱面積。咱們使用散熱片，實質上就是增長換熱面積；

當速度增長到必定程度後，換熱量的增長就不是很明顯；

一般，在風機強迫冷卻的狀況，插箱單板間的風速可超過1m/s。

4.3 輻射

輻射是經過電磁波傳遞熱量的過程。
公式：Q = ε · σ · T4
              Q ---- 輻射散熱量, W
              ε ---- 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，吸取率也大，所以要注意防輻射的措施；
對於天然散熱的狀況，必須考慮輻射散熱，這時，輻射散熱是一種重要的散熱方法；對於強迫冷卻的設備，能夠忽略輻射散熱。

5.熱設計流程

熱設計結構在機械各個行業都有運用。

大部分所謂的熱設計指的是散熱的設計，但做者也接觸過PTC加熱產品，其實也是屬於熱設計的。

依據產品的不一樣，其結構變更較大，因此就很難有固定的標準。但整體的設計軌跡仍是有軌跡可尋的，其細節部分有不少對應的標準及文檔資料能夠找到。設計這種有軌跡能夠遵照的特徵，按照總章的流程設計便可。

1）設計要求的明確與分析；（針對事物的問題所在）

2）對症選用合適標準和文檔資料；

3）照章辦事；

4）專業化的表現；

5）特徵優化：書面形式的上升空間；

6）平時的積累，爲第二步作準備。

5.1 設計要求的明確與分析；（針對事物的問題所在）

機械也有不少的子行業，不一樣行業對熱設計的要求是很是不同的。就如做者上述的加熱設計和散熱設計就不可能相同。

通常對熱設計要求有：

1）溫度要求；

2）溫升等級；

3）壓力（或高度）；

4）太陽或周圍其它物體的輻射熱載荷；

5）可利用的熱沉情況（包括：種類、溫度、壓力和溼度等）；

6）冷卻劑的種類、溫度、壓力和容許的壓降

熱設計必須知足需求規格書和測試的要求。

如有需求規格書，規格書中一定有對上述熱設計要求的詳細規定。

因此設計以前規格書的解讀是很是重要的（雖然經常被從業者忽視）。

如果自行設計或沒有規格書，須要根據國家行業要求收集相關的測試標準，因此產品注重質量的話會反而更加麻煩，但能夠參考同行業有實力公司的規格書。

設計要求獲得的方法具體作法詳見：

高階篇：4.1）QFDI（客戶需求轉換爲設計要求）

瞭解自身所處的行業環境，明確熱設計要求，是作好設計的第一步。

5.2 對症選用合適標準和文檔資料

熱設計流程分兩步：

5.2.1 選用合適結構的熱設計

多數熱設計的目的是爲了散熱，也就是冷卻，而不是用於加熱。因此做者直接用冷卻的方式說明（加熱設計可參考）。

1）冷卻方法的分類有：

①按冷卻劑與被冷元件之間的配置關係
a. 直接冷卻
b. 間接冷卻
②按傳熱機理
a. 天然冷卻（包括導熱、天然對流和輻射換熱的單獨做用或兩種以上換熱形式的組合）
b. 強迫冷卻（包括強迫風冷和強迫液體冷卻等）
c. 蒸發冷卻
d. 熱電致冷
e. 熱管傳熱
f. 其它冷卻方法

2）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、使用環境、用戶要求等。
注意：
①保證所採用的冷卻方法具備較高可靠性；
②冷卻方法應具備良好的適應性；
③所採用的冷卻方法應便於測試、維修和更換；
④所採用的冷卻方法應具備良好的經濟性；

 

3）天然散熱

當電子設備的熱流密度小於0.08w/cm2，體積功率密度不超過0.18w/cm3時，一般可採用天然對流冷卻。天然對流冷倒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係(熱空氣往上走），將熱量帶走。
在天然散熱中，傳導、對流、輻射都要考慮。

4）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，單靠天然冷卻不能徹底解決它的冷卻問題，須要外加動力進行強迫空氣冷卻。
強迫空氣冷卻通常是用通風機，使冷卻空氣流經電子元器件將熱量帶走。

5）熱阻

當熱量在物體內部以熱傳導的方式傳遞時，遇到的阻力稱爲導熱熱阻。

一般將熱流量（功耗）模擬爲電流；溫差模擬爲電壓；熱阻模擬爲電阻。

 

幾種下降傳熱熱阻的方法：

6）選擇散熱結構時，通常準守的流程以下：

①按照傳熱機理選擇散熱方式，如選擇天然冷卻；

②從對流，傳導，輻射三大熱傳導方式中選擇合適的結構組成天然冷卻。天然冷卻的話三種熱傳導手段都要考慮。

由於各行業對熱要求會有很大不一樣，所採用的主要手段也大不相同。因此建議對比標杆產品，選用合適的熱設計結構，是最保險的。這裏切記自性心爆棚，隨意跨行業選用熱設計結構，有利有弊的。

好比標杆產品爲何選擇強迫冷卻（水冷或風冷），而不是選擇天然冷卻這種省錢的方式，這是有緣由的，切不可隨意更改。

理由詳見：

①高階篇：1）標杆產品的拆解和分析(benchmarking)

②階篇：4.3.3）DFMEA現有設計：預防控制與探測控制

做者會單獨開一小節，列舉些實例做爲參考。

5.2.2 選用此種熱設計結構對應的標準

熱設計結構能循序漸進一步一步設計的嚴格標準是不多，做者所見的熱設計文檔資料多爲參考性質。

因此設計時須要具體精確到肯定熱設計結構的細節特徵，並在此結構範圍下再次細化標準的尋找，直到找到最小特徵的標準爲止。

如PCB版的熱設計，先肯定PCB版須要設計，再參考PCB版熱設計實例去確認熱設計傳熱機理，及須要對流、傳導、輻射哪幾種組合，最後依據供應商的標準肯定具體尺寸和技術要求，公差等。

5.3 照章辦事

5.3.1 耐心解讀標準

由於熱設計結構的標準不完善，就算是好的供應商提供的標準也很難說是正確完美的，因此通讀、理解、梳理這些不完善的標準很須要耐心和專業素養。

5.3.2 做圖

材質，尺寸與公差，測試等要求，都是要在圖紙上表現。規範的圖紙是實力的體現。

5.3.3 熱仿真分析

由於純粹的手動計算的不足，因此有熱仿真的技術來替代計算書，越是精密的機械熱仿真的要求越高。

還別說，最近做者發現不少公司對熱設計仿真都有要求，這是對結構工程師的一個加分項目，能夠多學學。

仿真的步驟其實都差很少，但基於流體分析的細節要求，因此有些仿真難度會很高，但也建議結構工程師一開始能夠嘗試一些初步的熱仿真（如單板級如下的）。

熱仿真分析範圍包括：

①統級分析：着眼於機櫃、插箱等整個系統，分析整個系統的流場、溫度分佈狀況；

②單板級分析
給定單板的局部環境，分析單板上芯片的散熱狀況，以優化器件的布板與單板的接地、過孔等設計；

③芯片級分析
創建芯片的詳細封裝模型，分析芯片內部的溫度分佈狀況。芯片的模型有物理模型和熱阻模型。

5.4 專業化的表現

1）圖紙；

一個產品的熱設計的圖紙包括熱傳導路徑上的全部零件。

2）熱仿真分析結果；

審計評審時請檢查這兩份東西。

5.5 特徵優化：書面形式的上升空間

以書面形式表達熱結構的優化設計方法，能夠寫在熱仿真分析報告中。

熱設計結構的優化方向有：

1）熱設計結構各類參數最優化（仿真工程師工做範圍）；

2）熱設計結構方向優化：如將天然冷卻變動爲強迫冷卻（結構工程師工做範圍）。

5.6 平時的積累，爲第二步作準備

由於沒有能一步一步循序漸進的設計標準，平時的積累就尤其重要了。

具體理由見對症設計總章節吧，這裏就不闡述了。

6. 熱設計的實例

這裏做者介紹一些熱設計的實例，可做爲標杆設計的參考。

6.1 PCB板熱設計

6.1.1 採用散熱PCB

–印製線路板上敷有金屬導熱板;
–印製線路板上敷有金屬導熱條;
–印製線路板中間夾有導熱金屬芯。

導熱印製板在設計時要特別注意：因爲金屬和環氧玻璃纖維板的熱膨脹係數差異較大，如膠接不當，可能引發電路板翹曲。

6.1.2 印製板上電子元器件的熱安裝技術

安裝在印製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製板及機箱側壁的低熱阻路徑。元器件與散熱印製板的安裝形式以下圖所示。

①爲下降從器件殼體至印製板的熱阻，可用導熱絕緣膠直接將元器件粘到印製板或導熱條（板）上。若不用粘結，應儘可能減少元器件與印製板或導熱條（板）間的間隙。

②安裝大功率器件時，若採用絕緣片，可考慮導熱硅橡膠片。爲了減少界面熱阻，還應在界面塗一層薄的導熱膏。

③同一塊印製板上的元器件，應按其發熱量大小及耐熱程度分區排列，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）。

④有大、小規模集成電路混合安裝的狀況下，應儘可能把大規模集成電路放在冷卻氣流的上游，小規模集成電路放在下游，以使印製板上元器件的溫升趨於均勻。

⑤因電子設備的工做溫度範圍較寬，元器件引線和印製板的熱膨脹係數不一致，在溫度循環變化及高溫條件下，應注意採起消除熱應力的一些結構措施。以下圖所示。

對於具備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爲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。

 

 

在印製板上安裝晶體管，常使晶體管底座與板面貼合，如圖5-14a所示。 這是一種很差的安裝方式，由於引線的應變量不夠，會致使焊點隨印製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。

 

6.1.3 印製板導軌熱設計

印製板導軌起兩個做用：導向和導熱。

做爲導熱用時，應保證導軌與印製板之間有足夠的接觸壓力和接觸面積，而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。

 

6.1.4 印製板的合理間距

–對於依靠天然通風散熱的印製板，爲提升它的散熱效果，應考慮氣流流向的合理性。

–對於通常規格的印製板，豎直放置時的表面溫升較水平放置時小。

–豎直安裝的印製電路板，天然散熱時的最小間距應爲19mm，以防止天然流動的收縮和阻塞。

6.2 散熱器的選擇

6.2.1 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（天然冷卻、強迫風冷），肯定是否加裝散熱器。

通常地說，熱流密度小於0.08W/cm2，採用天然冷卻方式；熱流密度超過0.08W/cm2， 體積功率密度超0.18W/cm3，須採用強迫風冷方式。

固然，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佈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、環境條件及器件溫度降額要求的容許結溫，肯定散熱器的形狀並經過計算，計算出散熱器的表面積。

6.2.2 選用散熱器，下降散熱器熱阻

下圖爲安裝於散熱器上的功率器件等效熱路圖

RTj——功率器件的內熱阻，一般由器件的製造廠家提供；
RTp——器件殼體直接向周圍環境的換熱熱阻，稱爲器件的外熱阻；
RTc——器件與散熱器安裝面之間的接 觸熱阻；
 RTc——散熱器熱阻。

因爲RTp遠大於其它熱阻值，所以總熱阻計算式爲：

RT=RTj+RTc+RTf；

設計要求功率器件的結溫應知足：

tj=Pc（RTj+RTc+RTf）+tf≤tj，max；

6.2.3 還要注意的幾點

1）散熱器表面應進行氧化發黑處理,以加強輻射換熱效果。在天然對流狀況下, 輻射換熱做用較突出,能夠提升25%的散熱量, 因此, 除非是器件附近有高熱源, 散熱器表面都應塗覆或氧化發黑處理以提升輻射性能。

2）散熱器的材質，通常推薦選用鋁型材、鑄鋁或純銅。

3）根據要求，能夠選用平板式散熱器、鋁型材散熱器、叉指型散熱器；也能夠選擇熱管散熱器，冷板按散熱器，熱板（vapor chamber)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長波紋能夠增長10%到20%的散熱能力，波紋齒的高度爲0.5mm，寬度爲0.5mm～1mm，以增長對流換熱效果。

5）應保證鋁型材散熱器基板有必定厚度，以減少傳導熱阻。

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，因此增長散熱器寬度的效果要好於增長長度；對於散熱器的流向長度大於300mm，應把散熱器的齒片從中間斷開，以增長空氣擾動，提升對流換熱效果。

6.2.4 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全部接觸面處應塗導熱硅脂或加其它導熱絕緣材料。
 3）免塗導熱硅脂的導熱絕緣膜在接觸面處能夠不塗導熱硅脂。
 4）對於天然冷卻方式，鋁型材散熱器的安裝應使齒槽與水平面垂直,以加強天然對流效果；對於強迫冷卻方式，鋁型材散熱器的安裝應使齒槽與風的流向平行。
 5）爲了減小器件與散熱器之間的接觸熱阻，應適當增長接觸力。爲避免使元器件受力，散熱器須有適當的固定支撐。

6.2.5 散熱器的加工工藝

①Stamped衝壓件

②Aluminum extrusions (鋁擠壓)

③Casting (鑄造，壓鑄)

④Bonded & swaged fin (插齒)

⑤Folded fin assemblies (摺疊齒)

 

⑥Skived (鏟削)

6.3 熱管

熱管的構成以下圖所示：

 

熱管主要包括三個部分：外殼、工做流質和毛細吸液層。

一般外殼材料爲純銅；工做流質爲純淨水（對於其餘用途的熱管，工做流質也可爲其它種類），含量不多；根據熱管內部毛細層的不一樣，常見的熱管可分爲纖維型、溝槽型、篩網型和燒結型，其中溝槽型和燒結型應用最廣，各類類型熱管的優、缺點以下表所示。

 

熱管是一種傳導率很是高的導熱材料，可達30000 W/m.℃以上，熱管的導熱率不是恆定的。在必定範圍內，一般受熱端溫度越高，則熱管導熱率越高。可是當溫度到達必定程度時，熱管的導熱率會急劇降低，形成失效。所以對於不一樣規格的熱管，都有一個最大傳輸功率。

7.後話

如今的產品設計幾乎一定有熱設計，沒有熱設計的產品反而很難找到，因此這一章節是必需要掌握的了。記住「傳導、對流、輻射」三種熱傳導方式，面試時也很喜歡問。

 還有能夠做爲結構工程師能夠學習一點簡單的熱仿真，這也是加分點。