電子設(shè)備熱設(shè)計要點及相關(guān)工藝探討

白亮+劉運凱

摘 要：隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電子技術(shù)在社會各個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。為保證元器件和設(shè)備的熱可靠性以及對溫度壓力變化的惡劣環(huán)境條件的適應(yīng)能力，電子元器件和設(shè)備的熱控制和熱分析技術(shù)得到了普遍的重視和發(fā)展。

關(guān)鍵詞：熱設(shè)計；導(dǎo)熱；對流換熱；輻射換熱

由于電子元器件的小型化、微小型化和超大規(guī)模集成電路、專用集成電路、超高速集成電路等電子技術(shù)的不斷發(fā)展，微電子元器件和設(shè)備的組裝密度也在迅速提高，同時設(shè)備的熱流密度也在迅速增加。因此，熱設(shè)計的主要目的就是防止電子元器件和設(shè)備熱失效，提供良好的散熱環(huán)境，保證電子元器件和設(shè)備的正常可靠地工作。

一、熱設(shè)計的原則

（一）熱設(shè)計的基本要求

電子設(shè)備熱設(shè)計是可靠性設(shè)計的一項重要技術(shù)。由于溫度與元器件失效率的指數(shù)規(guī)律，隨著溫度的升高，失效率迅速增加。因此，在進行熱設(shè)計時，必須首先了解元器件的熱特性，并根據(jù)GJB/Z299《電子設(shè)備可靠性預(yù)計手冊》提供的元器件基本失效率λb與溫度T、電應(yīng)力比S的關(guān)系模型，進行可靠性預(yù)計分析，此時要求預(yù)先分析元器件的工作環(huán)境溫度和電應(yīng)力比S，以便利用“T-S”表或曲線圖查得λb值。在此基礎(chǔ)上，可以根據(jù)設(shè)備工作環(huán)境的類別和元器件的質(zhì)量等級等數(shù)據(jù)，預(yù)計元器件的工作失效率以及設(shè)備的可靠隆。

（二）熱設(shè)計的基本原則

電子設(shè)備熱設(shè)計的基本任務(wù)是在熱源與熱沉之間提供一條低熱阻的通道，保證熱量能夠迅速傳遞出去，以滿足可靠性的要求。

1.保證熱設(shè)計控制系統(tǒng)具有良好的冷卻功能，即可用性。要保證設(shè)備內(nèi)電子元器件均能在規(guī)定的熱環(huán)境中正常工作，保證設(shè)備不管環(huán)境條件如何變化，冷卻系統(tǒng)都能按照預(yù)期的方式完成規(guī)定的冷卻功能。

2.保證設(shè)備熱控制系統(tǒng)的可靠性。在規(guī)定的使用期限內(nèi)，冷卻系統(tǒng)的故障率應(yīng)遠比元器件的故障低。特別是對一些強迫冷卻系統(tǒng)和蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)而言。

3.熱設(shè)計的控制系統(tǒng)應(yīng)有良好的適應(yīng)性。在設(shè)計時，散熱時的可調(diào)性必須要留有余地，因為有的設(shè)備在工作一段時間后，由于工程變化需求，可能會引起熱損耗或熱阻的增加，就會需要增大設(shè)備的散熱能力來解決熱控制系統(tǒng)的可靠性問題。

二、熱設(shè)計的理論基礎(chǔ)

根據(jù)熱力學(xué)第二定律指出，在一定的溫度場內(nèi)，只要有溫度梯度（即溫差）存在，就會有熱量的傳遞，而熱量總是從高溫傳向低溫。

熱量的傳遞有導(dǎo)熱，對流換熱以及輻射換熱三種基本方式。在終端設(shè)備的散熱過程中，這三種方式都有發(fā)生。這三種傳熱方式的熱量分別由以下公式計算：

Fourier導(dǎo)熱公式： Q=λA（Th-Tc）/δ

Newton對流換熱公式： Q=αA（Tw-Tair）

輻射4次方定律： Q=5.67e-8*εA（Th4-Tc4）

其中λ、α、ε分別為導(dǎo)熱系數(shù)，對流換熱系數(shù)及表面的發(fā)射率，A是換熱面積。

（一）導(dǎo)熱

物體各部分之間不發(fā)生相對位移時，依靠分子、原子及自由電子等微觀例子的熱運動而產(chǎn)生的熱量稱為導(dǎo)熱。

導(dǎo)熱過程中傳遞的熱量按照傅立葉導(dǎo)熱定律計算：

Q=λA（Th-Tc）/δ

其中：A 為與熱量傳遞方向垂直的面積，單位為m2；

Th與Tc 分別為高溫與低溫面的溫度；

δ為兩個面之間的距離，單位為m ；

λ為材料的導(dǎo)熱系數(shù)，單位為W/（m* ℃），表示了該材料導(dǎo)熱能力的大小。

一般說，固體的導(dǎo)熱系數(shù)大于液體，液體的大于氣體。例如 常溫下純銅的導(dǎo)熱系數(shù)高達400 W/（m* ℃），純鋁的導(dǎo)熱系數(shù)為236 W/（m* ℃），水的導(dǎo)熱系數(shù)為 0.6 W/（m*℃），而空氣僅 0.025W/（m*℃）左右。鋁的導(dǎo)熱系數(shù)高且密度低，所以散熱器基本都采用鋁合金加工，但在一些大功率芯片散熱中，為了提升散熱性能，常采用鋁散熱器嵌銅塊或者銅散熱器。

（二）對流換熱

對流換熱是指流動的流體流經(jīng)溫度與之不同的固體表面時，由于溫差引起的相互之間發(fā)生的熱量傳遞過程。這是通信設(shè)備散熱中應(yīng)用最廣的一種換熱方式。根據(jù)流動的起因不同，對流換熱可以分為強制對流換熱和自然對流換熱兩類。前者是由于泵、風(fēng)機或其他外部動力源所造成的，而后者通常是由于流體自身溫度場的不均勻性造成不均勻的密度場，由此產(chǎn)生的浮升力成為運動的動力。

機柜中通常采用的風(fēng)扇冷卻散熱就是最典型的強制對流換熱。在終端產(chǎn)品中主要是自然對流換熱。自然對流散熱分為大空間自然對流（例如終端外殼和外界空氣間的換熱）和有限空間自然對流（例如終端內(nèi)的單板和終端內(nèi)的空氣）。值得注意的是，當(dāng)終端外殼與單板的距離小于一定值時，就無法形成自然對流，例如手機的單板與外殼之間就只是以空氣為介質(zhì)的熱傳導(dǎo)。

三、熱設(shè)計的方法步驟

（一）散熱方式的選擇

電子設(shè)備熱設(shè)計，首先要熟悉和掌握與熱設(shè)計有關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范，確定設(shè)備或元器件的散熱面積、散熱器或冷卻劑的最高和最低環(huán)境溫度范圍。對每個元器件進行應(yīng)力分析，并根據(jù)設(shè)備可靠性及分配給每個器件的失效率，確定每個器件的最高允許溫度，確定每個發(fā)熱元器件的功耗和設(shè)備環(huán)境限制條件（如：陸用，空用、艦船用，體積，重量，安裝密封性等）來確定設(shè)備在散熱過程中，以哪種散熱為主要導(dǎo)熱方式。

（二）元器件的布局

熱設(shè)計要與電路設(shè)計同時進行，電路的元器件布局是否合理會直接影響到設(shè)備的散熱效果。

1.熱阻大，發(fā)熱量大的元器件放在靠近冷風(fēng)口端，使其流經(jīng)散熱器的冷風(fēng)是最大的。

2.熱阻大，發(fā)熱量大的元器件要盡可能遠離熱敏感元件或者隔離。

3.發(fā)熱量大的元器件要盡可能的均勻分布，不要集中在一起。

四、結(jié)論

隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展，電子設(shè)備熱設(shè)計在開發(fā)過程中越來越重要。由于電子設(shè)備微型化與超高速集成化的趨勢，電子設(shè)備的計算機輔助熱設(shè)計的發(fā)展與電路板結(jié)構(gòu)的設(shè)計需要有機的結(jié)合起來，利用各種有效的，新型的散熱方式進行冷卻散熱。熱設(shè)計的好壞直接影響產(chǎn)品的可靠性和品質(zhì)指標(biāo)。

參考文獻：

[1]邱成悌，趙惇殳，蔣全興.電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計原理[M].南京：東南大學(xué)出版社，2001.

[2]余建祖.電子設(shè)備熱設(shè)計及分析技術(shù)[M].北京：高等教育出版社，2001.

[3]王健石，朱東霞.電子設(shè)備熱設(shè)計速查手冊[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.

[4]GJB/Z299.電子設(shè)備可靠性預(yù)計手冊.