電子設備熱設計要點及相關工藝探討

白亮+劉運凱

摘 要：隨著電子技術的發展，電子技術在社會各個領域得到了廣泛的應用。為保證元器件和設備的熱可靠性以及對溫度壓力變化的惡劣環境條件的適應能力，電子元器件和設備的熱控制和熱分析技術得到了普遍的重視和發展。

關鍵詞：熱設計；導熱；對流換熱；輻射換熱

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

一、熱設計的原則

（一）熱設計的基本要求

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

（二）熱設計的基本原則

電子設備熱設計的基本任務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.保證熱設計控制系統具有良好的冷卻功能，即可用性。要保證設備內電子元器件均能在規定的熱環境中正常工作，保證設備不管環境條件如何變化，冷卻系統都能按照預期的方式完成規定的冷卻功能。

2.保證設備熱控制系統的可靠性。在規定的使用期限內，冷卻系統的故障率應遠比元器件的故障低。特別是對一些強迫冷卻系統和蒸發冷卻系統而言。

3.熱設計的控制系統應有良好的適應性。在設計時，散熱時的可調性必須要留有余地，因為有的設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，就會需要增大設備的散熱能力來解決熱控制系統的可靠性問題。

二、熱設計的理論基礎

根據熱力學第二定律指出，在一定的溫度場內，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。

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

Fourier導熱公式： 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分別為導熱系數，對流換熱系數及表面的發射率，A是換熱面積。

（一）導熱

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

導熱過程中傳遞的熱量按照傅立葉導熱定律計算：

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為材料的導熱系數，單位為W/（m* ℃），表示了該材料導熱能力的大小。

一般說，固體的導熱系數大于液體，液體的大于氣體。例如 常溫下純銅的導熱系數高達400 W/（m* ℃），純鋁的導熱系數為236 W/（m* ℃），水的導熱系數為 0.6 W/（m*℃），而空氣僅 0.025W/（m*℃）左右。鋁的導熱系數高且密度低，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溫度與之不同的固體表面時，由于溫差引起的相互之間發生的熱量傳遞過程。這是通信設備散熱中應用最廣的一種換熱方式。根據流動的起因不同，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，由此產生的浮升力成為運動的動力。

機柜中通常采用的風扇冷卻散熱就是最典型的強制對流換熱。在終端產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（例如終端內的單板和終端內的空氣）。值得注意的是，當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的熱傳導。

三、熱設計的方法步驟

（一）散熱方式的選擇

電子設備熱設計，首先要熟悉和掌握與熱設計有關的標準、規范，確定設備或元器件的散熱面積、散熱器或冷卻劑的最高和最低環境溫度范圍。對每個元器件進行應力分析，并根據設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，確定每個發熱元器件的功耗和設備環境限制條件（如：陸用，空用、艦船用，體積，重量，安裝密封性等）來確定設備在散熱過程中，以哪種散熱為主要導熱方式。

（二）元器件的布局

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

1.熱阻大，發熱量大的元器件放在靠近冷風口端，使其流經散熱器的冷風是最大的。

2.熱阻大，發熱量大的元器件要盡可能遠離熱敏感元件或者隔離。

3.發熱量大的元器件要盡可能的均勻分布，不要集中在一起。

四、結論

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

參考文獻：

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[4]GJB/Z299.電子設備可靠性預計手冊.