电子设备和医疗设备热设计规范——基础知识篇.docx

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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。

2、 接下来几篇文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= Q A(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

3、温度，使其在所处的工作 环境条件下不超过标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

4、大小。 一般说，固体的导热系数大于液体，液体的大于气体。例如常温下纯铜的导热 系数高达400 W(m*C)纯铝的导热系数为236W(m*C),水的导热系数为0.6 W(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

5、0.023胶垫SIC490PC0.2水0.5 0.7GaAs46PMMA0.14硫酸50.47So.5GaP77PP0721225涮（纵0.38LTCC2PP25%025阚）材（横0.14-0.17AlN150软皴PVC0.14解选粘土0.7 0.8A12O3 蓝45硬质PVC0.17耐火越1.06KoVar173PS0.08水泥沙0.9-1.28钻石2300LDPE033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2.6 3.6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

6、0.12沥吉0.7纯锡64艘璃0.5S纸板0.06 0.14纯铅35玻璃钢0.40铸铁42 90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130-200 W（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

7、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

8、。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l10W(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10100W(C*m2) 量级，实际应用时一般不会超过30W(C*m2)。tf流体温度W固体表面温度1.1. 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-8 T4物体表面之

9、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(l h+l c-l*(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。

10、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。实际上物体温度低于1800C时，有意义的热辐 射波长位于0.38100 m之间，且大部分能量位于红外波段07620 m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。1.2. 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

11、公式：Q= Q A(Tw-Tair)Q= (Tw-Tair)/(1/ Q A)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(thermal resistance),单位为CW,其物理. i发片分再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。、q设计分享君HEAT DISSIPATED (WATTS)NATURAL AND FORCED CONVECTION CHARACTERISTICSAIR VELOCITY (LFM)3 . 2.型材

12、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 (LD31)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GB 1 1 4 5 6 - 8 9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-lmm,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

13、器件在散热器的中央，散热器的长度应为截面宽度的L5-2 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ExtrusionForgeFoldedSkiVe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散热各种类形简介工艺制程优点缺点挤型散热片Extrusion铝挤型制程系将铝挤型锭预热至 520540后，在高压下流经400的挤型成本低、开发期短、适 合大量生产形状单纯，散热 效果较差工艺制程优点缺点模具，做出速续平行沟槽的散热片初胚，接着 再二次加工将条状初胚裁剪、剖沟成一个个散 热片锻造式散热 片 Forge将铝块加热后利用高压充满模 具内而形成细长比及材料致密度 高，可变化形状模具费及设备 费高，需二次加 工折迭式散热 片 Folded将薄板片折呈鳍片排列形状，再 用硬焊或锡焊方式与挤形过或 机械加工过底板相结合成一散 热片。可作高细长比的散热 片，鳍片部分是一体折 弯成型，