电子设备和医疗设备热设计规范——基础知识篇.docx

《电子设备和医疗设备热设计规范——基础知识篇.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电子设备和医疗设备热设计规范——基础知识篇.docx（11页珍藏版）》请在第一文库网上搜索。

1、电子设备和医疗设备热设计规范一基础知识篇目录1 .热设计基础知识11.1. 热量传递的三种基本方式21. 1.1.热传导换热22. 1.2.热对流换热33. 1.3.热辐射换热41.2. 热阻的概念52 .散热器介绍71. 1.散热器概念72. 2.型材散热器的选择及设计原则73 .热管介绍94 .蒸汽腔散热器介绍10近年来，对于电子设备和医疗设备来说，随着小型化和高性能化的要求越来越高，也因此促进了进一步集成化。具体来讲表现为元器件数量更多，电路板上的安装密度更高，外壳尺寸更小。结果是导致发热密度显著增加。由于热设计有助于提高设备的可靠性、安全性并降低总成本，因而变得越来越重要。接下来几篇文

2、章主要介绍热设计相关知识，本篇文章主要介绍热设计的基础知识。1 .热设计基础知识热的定义：两个物体间因温度差而传递的一种能量形式就是热。热能的单位用(焦耳)表示。热量的传递有热传导，热对流及热辐射三种换热方式。在终端设备散热过程中，这三种方式都有发生。三种传热方式传递的热量分别由以下公式计算Fourier导热公式：Q=入A(Th-Tc)/Newton对流换热公式：Q=QA(Tw-Tair)辐射4次方定律：Q=5.67e-8*A(Th4-Tc4)其中入、。、分别为导热系数，对流换热系数及表面的发射率，A是换热面积。热设计的目的：控制产品内部所有电子元器件的温度，使其在所处的工作环境条件下不超过标

3、准及规范所规定的最高温度。1.1. 热量传递的三种基本方式1.1.1. 热传导换热物体各部分之间不发生相对位移时，依靠分子、原子及自由电子等微观例子的热运动而产生的热量称为导热。例如，固体内部的热量传递和不同固体通过接触面的热量传递都是导热现象。芯片向壳体外部传递热量主要就是通过导热。Junction导热过程中传递的热量按照Fourier导热定律计算：Q=A(Th-Tc)/其中：A为与热量传递方向垂直的面积，单位为m2;Th与Tc分别为高温与低温面的温度，5为两个面之间的距离，单位为m。入为材料的导热系数，单位为W(m*C表示了该材料导热能力的大小。一般说，固体的导热系数大于液体，液体的大于气

4、体。例如常温下纯铜的导热系数高达400W(m*C)纯铝的导热系数为236W(m*C),水的导热系数为0.6W(m*C),而空气仅0.025W(m*C)左右。铝的导热系数高且密度低，所以散热器基本都采用铝合金加工，但在一些大功率芯片散热中，为了提升散热性能,常采用铝散热器嵌铜块或者铜散热器。上壳体导热材料各种材料导热系数材料名称导热系数W/mK材料名称导热系数WZmK材料名称导热系数WZmK材料名称导热系数W/mK材料名称导热系数WZmKSi150ABS0.25空气0.010.04导热硅0.87SiO27.6PA0.25水蒸汽0.023胶垫SIC490PC0.2水0.50.7GaAs46PMMA

5、0.14硫酸50.47So.5GaP77PP0721225涮（纵0.381TCC2PP25%025阚）材（横0.14-0.17A1N150软皴PVC0.14解选粘土0.70.8A12O3蓝45硬质PVC0.17耐火越1.06KoVar173PS0.08水泥沙0.9-1.28钻石23001DPE033瓷砖1.99金317HDPE0.5石棉0.15So.37银429橡胶0.19玄武岩2.18纯铝237PU025花岗岩2.63.6纯铜401纯硅胶035石靖0.12纯锌112中密度硅0.17石油0.14纯钛14.63胶密度硅0.12沥吉0.7纯锡64艘璃0.5S纸板0.060.14纯铅35玻璃钢0.4

6、0铸铁4290纯锲90泡沫0.045不锈钢17钢36FR40.2铸铝138147黄铜70环氧树脂0.2A16061160青铜3832.2A16063201153A17075130石墨的导热率因石墨的细节结构、温度、压力、氧含量和其他因素而异。在常压下，石墨的导热率约为130-200W（mK）这个数值是相当高的，因为石墨具有非常好的热传导能力，而且在高温下仍然保持稳定，因此在高温设备和热传导材料领域有着广泛的应用。1.1.2.热对流换热对流换热是指运动着的流体流经温度与之不同的固体表面时与固体表面之间发生的热量交换过程，这是通信设备散热中中应用最广的一种换热方式。根据流动的起因不同，对流换热可以

7、分为强制对流换热和自然对流换热两类。前者是由于泵、风机或其他外部动力源所造成的，而后者通常是由于流体自身温度场的不均匀性造成不均匀的密度场，由此产生的浮升力成为运动的动力。机柜中通常采用的风扇冷却散热就是最典型的强制对流换热。在终端产品中主要是自然对流换热。自然对流散热分为大空间自然对流(例如终端外壳和外界空气间的换热)和有限空间自然对流(例如终端内的单板和终端内的空气)。值得注意的是，当终端外壳与单板的距离小于一定值时，就无法形成自然对流,例如手机的单板与外壳之间就只是以空气为介质的热传导。对流换热的热量按照牛顿冷却定律计算：Q=hA(Tw-Tair)其中：A为与热量传递方向垂直的面积，单位

8、为m2;Th与Tc分别为固体壁面与流体的温度，h是对流换热系数，自然对流时换热系数在1：1OW/(C*m2)量级，实际应用时一般不会超过35W(0C*m2);强制对流时换热系数在10IooW/(C*m2)量级，实际应用时一般不会超过30W(C*m2)。1.1.1.2. 3.热辐射换热辐射是通过电磁波来传递能量的过程，热辐射是由于物体的温度高于绝对零度时发出电磁波的过程，两个物体之间通过热辐射传递热量称为辐射换热。物体的辐射力计算公式为：E=5.67e-8T4物体表面之间的热辐射计算是极为复杂的，其中最简单的两个面积相同且正对着的表面间的辐射换热量计算公式为：Q=A*5.67e-8(1h+1c-

9、1*(Th4-Tc4)公式中T指的是物体的绝对温度值=摄氏温度值+273.15；是表面的黑度或发射率，该值取决于物质种类，表面温度和表面状况，与外界条件无关，也与颜色无关。磨光的铝表面的黑度为0.04,氧化的铝表面的黑度为0.3,油漆表面的黑度达到0.8,雪的黑度为0.8。由于辐射换热不是线性关系，当环境温度升高时，终端的温度与环境的相同温差条件下会散去更多的热量。塑料外壳表面喷漆，PWB表面会涂敷绿油，表面黑度都可以达到08这些都有利于辐射散热。对于金属外壳，可以进行一些表面处理来提高黑度，强化散热。对辐射散热一个最大错误认识是认为黑色可以强化热辐射，通常散热器表面黑色处理也助长了这种认识。

10、实际上物体温度低于1800C时，有意义的热辐射波长位于0.38100m之间，且大部分能量位于红外波段0.7620m范围内，在可见光波段内，热辐射能量比重并不大。颜色只与可见光吸收相关，与红外辐射无关，夏天人们穿浅色的衣服降低太阳光中的可见光辐射吸收。因此终端内部可以随意涂敷各种颜色的漆。1.3. 热阻的概念对导热和对流换热的公式进行变换：FOUrier导热公式：Q=A(Th-Tc)/Q=(Th-Tc/ANewton对流换热公式：Q=QA(Tw-Tair)Q=(Tw-Tair)/(1/QA)热量传递过程中，温度差是过程的动力，好象电学中的电压，换热量是被传递的量，好像电学中的电流，因而上式中的分

11、母可以用电学中的电阻概念来理解成导热过程的阻力，称为热阻(therma1resistance),单位为CW,其物理意义就是传递IW的热量需要多少度温差。在热设计中将热阻标记为R或O。3/（入A）是导热热阻，1A是对流换热热阻。器件的资料中一般都会提供器件的RjC和Rja热阻，RjC是器件的结到壳的导热热阻；Rja是器件的结到壳导热热阻和壳与外界环境的对流换热热阻之和。这些热阻参数可以根据实验测试获得，也可以根据详细的器件内部结构计算得到。根据这些热阻参数和器件的热耗，就可以计算得到器件的结温。热路电路热耗P（W）电流I（A）温差ZYrNVTi(C)电压Yb=Y-Vb(V)热阻Rth=ZxTZP

12、(CZW)电阻R=VJ1（欧姆）热容C=WCP(Ca1/C)电容C（法）热阻的串联：Rh=Rth1+Rd电阻的串联：R=R1R2+热阻的并联：1mIh=IRh+1Rth2*电阻的并联：1R=1R1+1R2+.M二设计力享君两个名义上相接触的固体表面，实际上接触仅发生在一些离散的面积元上,如下图所示，在未接触的界面之间的间隙中常充满了空气，热量将以导热和辐射的方式穿过该间隙层，与理想中真正完全接触相比，这种附加的热传递阻力称为接触热阻。降低接触热阻的方法主要是增加接触压力和增加界面材料（如硅脂）填充界面间的空气。在涉及热传导时，一定不能忽视接触热阻的影响，需要根据应用情况选择合适的导热界面材料，

13、如导热脂、导热膜、导热垫等。2.散热器介绍2.1.散热器概念即为一散热扩展面，热阻表征其散热性能的优劣。2.2.型材散热器的选择及设计原则材质的选择散热器材料应具有较高的导热系数，一般推荐使用铝型材散热器：6063(1D31)入=180Wmk特殊条件下：紫铜T2=380Wm.k散热器的各项技术指标应符合GB11456-89电力半导体器件型材散热器技术条件。散热器安装器件的表面光洁度Ra1.6o肋片高=(3-5)倍肋间距的设计具有最优的性能价格比。表面应加波纹齿，波纹齿高为030.5mm,宽为0.5-1mm,以增加对流换热面积；应保证散热器具有一定的基板厚度，推荐5-1Omm之间；而对工作在间歇方式下的散热器，基板的大小应充分考虑散热器的瞬态热阻，具体情况具体设计。对只安装一个器件在散热器的中央，散热器的长度应为截面宽度的15-2倍。当散热器流向长度大于30Omm以上，应把散热器的肋片从中间断开，以增加流体扰动，提高对流换热系数。对自然对流条件下，散热器的齿间距应大于12mm,以避免热边界层相互交叉。挤型散热片锻造式散热片折迭式散热片刨片式散热片ExtrusionForgeFo1dedSkiVe推迭鳍片式散热片插片式散热片铸造式散热片专用机加工类散热片StackedCrimpingDie-CastMachining散热各种类形简