標准結構篇：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。如果，沒有熱設計，你的產品就會越來越燙手。夏天的筆記本，口袋里的智能手機，就是其中典型。究其原因，有如下四點：

1）系統的集成度越來越高；

2）大功耗器件的廣泛使用；

3）系統的大容量和產品體積的小型化要求；

4）環境適應性要求越來越高（如戶外產品越來越多）。

“熱”對電子可靠性的影響如下：

1）約40%以上的電子產品可靠性(壽命)故障是由溫度問題引起的法則：電子零件的溫度每上升10度，壽命減少一半。

2）電子器件性能隨工作溫度的增加而改變（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，以滿足設備散熱要求的過程稱為熱設計。

3.熱設計目的

熱設計的目的是為了保證產品在指定的環境規格條件下正常工作並達到產品的可靠性目標，從而滿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

熱量總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, 通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 ---- 導熱系數, 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

常用材料的導熱系數：

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方向可以達到600，而且重量很輕。

導熱系數大，內部溫差就小。

熱管是一種傳熱能力極高的結構，其導熱系數可達10000以上。

我們常常在芯片與散熱器之間增加導熱（絕緣）材料，是因為兩個表面間凸凹不平，中間有空氣，需要用導熱性能好的材料填充。材料要求形狀適應性好，盡可能薄、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；
由於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；
目前常用導熱硅脂的導熱系數為0.8～1，但也有2、4、5，最大可達10。

 

4.2 對流

對流是流體通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 ---- 換熱系數, 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。我們使用散熱片，實質上就是增加換熱面積；

當速度增加到一定程度后，換熱量的增加就不是很明顯；

通常，在風機強迫冷卻的情況，插箱單板間的風速可超過1m/s。

4.3 輻射

輻射是通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，吸收率也大，因此要注意防輻射的措施；
對於自然散熱的情況，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，可以忽略輻射散熱。

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，但作者也接觸過PTC加熱產品，其實也是屬於熱設計的。

依據產品的不同，其結構變動較大，所以就很難有固定的標准。但總體的設計軌跡還是有軌跡可尋的，其細節部分有很多對應的標准及文檔資料可以找到。設計這種有軌跡可以遵守的特征，按照總章的流程設計即可。

1）設計要求的明確與分析；（針對事物的問題所在）

2）對症選用合適標准和文檔資料；

3）照章辦事；

4）專業化的表現；

5）特征優化：書面形式的上升空間；

6）平時的積累，為第二步做准備。

5.1 設計要求的明確與分析；（針對事物的問題所在）

機械也有很多的子行業，不同行業對熱設計的要求是非常不一樣的。就如作者上述的加熱設計和散熱設計就不可能相同。

一般對熱設計要求有：

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）可利用的熱沉狀況（包括：種類、溫度、壓力和濕度等）；

6）冷卻劑的種類、溫度、壓力和允許的壓降

熱設計必須滿足需求規格書和測試的要求。

若有需求規格書，規格書中必定有對上述熱設計要求的詳細規定。

所以設計之前規格書的解讀是非常重要的（雖然常常被從業者忽視）。

若是自行設計或沒有規格書，需要根據國家行業要求收集相關的測試標准，所以產品注重質量的話會反而更加麻煩，但可以參考同行業有實力公司的規格書。

設計要求得到的方法具體做法詳見：

高階篇：4.1）QFDI（客戶需求轉換為設計要求）

了解自身所處的行業環境，明確熱設計要求，是做好設計的第一步。

5.2 對症選用合適標准和文檔資料

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為了散熱，也就是冷卻，而不是用於加熱。所以作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系
a. 直接冷卻
b. 間接冷卻
②按傳熱機理
a. 自然冷卻（包括導熱、自然對流和輻射換熱的單獨作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保證所采用的冷卻方法具有較高可靠性；
②冷卻方法應具有良好的適應性；
③所采用的冷卻方法應便於測試、維修和更換；
④所采用的冷卻方法應具有良好的經濟性；

 

3）自然散熱

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，通常可采用自然對流冷卻。自然對流冷卻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系(熱空氣往上走），將熱量帶走。
在自然散熱中，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，單靠自然冷卻不能完全解決它的冷卻問題，需要外加動力進行強迫空氣冷卻。
強迫空氣冷卻一般是用通風機，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，遇到的阻力稱為導熱熱阻。

通常將熱流量（功耗）模擬為電流；溫差模擬為電壓；熱阻模擬為電阻。

 

幾種降低傳熱熱阻的方法：

6）選擇散熱結構時，一般准守的流程如下：

①按照傳熱機理選擇散熱方式，如選擇自然冷卻；

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自然冷卻。自然冷卻的話三種熱傳導手段都要考慮。

因為各行業對熱要求會有很大不同，所采用的主要手段也大不相同。所以建議對比標桿產品，選用合適的熱設計結構，是最保險的。這里切記自性心爆棚，隨意跨行業選用熱設計結構，有利有弊的。

比如標桿產品為什么選擇強迫冷卻（水冷或風冷），而不是選擇自然冷卻這種省錢的方式，這是有原因的，切不可隨意更改。

理由詳見：

①高階篇：1）標桿產品的拆解和分析(benchmarking)

②階篇：4.3.3）DFMEA現有設計：預防控制與探測控制

作者會單獨開一小節，列舉些實例作為參考。

5.2.2 選用此種熱設計結構對應的標准

熱設計結構能按部就班一步一步設計的嚴格標准是很少，作者所見的熱設計文檔資料多為參考性質。

所以設計時需要具體精確到確定熱設計結構的細節特征，並在此結構范圍下再次細化標准的尋找，直到找到最小特征的標准為止。

如PCB版的熱設計，先確定PCB版需要設計，再參考PCB版熱設計實例去確認熱設計傳熱機理，及需要對流、傳導、輻射哪幾種組合，最后依據供應商的標准確定具體尺寸和技術要求，公差等。

5.3 照章辦事

5.3.1 耐心解讀標准

因為熱設計結構的標准不完善，就算是好的供應商提供的標准也很難說是正確完美的，所以通讀、理解、梳理這些不完善的標准很需要耐心和專業素養。

5.3.2 作圖

材質，尺寸與公差，測試等要求，都是要在圖紙上表現。規范的圖紙是實力的體現。

5.3.3 熱仿真分析

因為純粹的手動計算的不足，所以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，最近作者發現很多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，可以多學學。

仿真的步驟其實都差不多，但基於流體分析的細節要求，所以有些仿真難度會很高，但也建議結構工程師一開始可以嘗試一些初步的熱仿真（如單板級以下的）。

熱仿真分析范圍包括：

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、溫度分布情況；

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情況，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
建立芯片的詳細封裝模型，分析芯片內部的溫度分布情況。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所有零件。

2）熱仿真分析結果；

審計評審時請檢查這兩份東西。

5.5 特征優化：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，可以寫在熱仿真分析報告中。

熱設計結構的優化方向有：

1）熱設計結構各種參數最優化（仿真工程師工作范圍）；

2）熱設計結構方向優化：如將自然冷卻變更為強迫冷卻（結構工程師工作范圍）。

5.6 平時的積累，為第二步做准備

因為沒有能一步一步按部就班的設計標准，平時的積累就尤為重要了。

具體理由見對症設計總章節吧，這里就不闡述了。

6. 熱設計的實例

這里作者介紹一些熱設計的實例，可作為標桿設計的參考。

6.1 PCB板熱設計

6.1.1 采用散熱PCB

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

導熱印制板在設計時要特別注意：由於金屬和環氧玻璃纖維板的熱膨脹系數差別較大，如膠接不當，可能引起電路板翹曲。

6.1.2 印制板上電子元器件的熱安裝技術

安裝在印制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制板及機箱側壁的低熱阻路徑。元器件與散熱印制板的安裝形式如下圖所示。

①為降低從器件殼體至印制板的熱阻，可用導熱絕緣膠直接將元器件粘到印制板或導熱條（板）上。若不用粘結，應盡量減小元器件與印制板或導熱條（板）間的間隙。

②安裝大功率器件時，若采用絕緣片，可考慮導熱硅橡膠片。為了減小界面熱阻，還應在界面塗一層薄的導熱膏。

③同一塊印制板上的元器件，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情況下，應盡量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，以使印制板上元器件的溫升趨於均勻。

⑤因電子設備的工作溫度范圍較寬，元器件引線和印制板的熱膨脹系數不一致，在溫度循環變化及高溫條件下，應注意采取消除熱應力的一些結構措施。如下圖所示。

對於具有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為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。

 

 

在印制板上安裝晶體管，常使晶體管底座與板面貼合，如圖5-14a所示。 這是一種不好的安裝方式，因為引線的應變量不夠，會導致焊點隨印制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 印制板導軌熱設計

印制板導軌起兩個作用：導向和導熱。

作為導熱用時，應保證導軌與印制板之間有足夠的接觸壓力和接觸面積，並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 印制板的合理間距

–對於依靠自然通風散熱的印制板，為提高它的散熱效果，應考慮氣流流向的合理性。

–對於一般規格的印制板，豎直放置時的表面溫升較水平放置時小。

–豎直安裝的印制電路板，自然散熱時的最小間距應為19mm，以防止自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（自然冷卻、強迫風冷），確定是否加裝散熱器。

一般地說，熱流密度小於0.08W/cm2，采用自然冷卻方式；熱流密度超過0.08W/cm2， 體積功率密度超0.18W/cm3，須采用強迫風冷方式。

當然，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布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允許結溫，確定散熱器的形狀並通過計算，計算出散熱器的表面積。

6.2.2 選用散熱器，降低散熱器熱阻

下圖為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，通常由器件的制造廠家提供；
RTp——器件殼體直接向周圍環境的換熱熱阻，稱為器件的外熱阻；
RTc——器件與散熱器安裝面之間的接 觸熱阻；
 RTc——散熱器熱阻。

由於RTp遠大於其它熱阻值，因此總熱阻計算式為：

RT=RTj+RTc+RTf；

設計要求功率器件的結溫應滿足：

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,以增強輻射換熱效果。在自然對流情況下, 輻射換熱作用較突出,可以提高25%的散熱量, 所以, 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高輻射性能。

2）散熱器的材質，一般推薦選用鋁型材、鑄鋁或純銅。

3）根據要求，可以選用平板式散熱器、鋁型材散熱器、叉指型散熱器；也可以選擇熱管散熱器，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加波紋可以增加10%到20%的散熱能力，波紋齒的高度為0.5mm，寬度為0.5mm～1mm，以增加對流換熱效果。

5）應保證鋁型材散熱器基板有一定厚度，以減小傳導熱阻。

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，所以增加散熱器寬度的效果要好於增加長度；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，以增加空氣擾動，提高對流換熱效果。

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所有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可以不塗導熱硅脂。
 4）對於自然冷卻方式，鋁型材散熱器的安裝應使齒槽與水平面垂直,以增強自然對流效果；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）為了減少器件與散熱器之間的接觸熱阻，應適當增加接觸力。為避免使元器件受力，散熱器須有適當的固定支撐。

6.2.5 散熱器的加工工藝

①Stamped沖壓件

②Aluminum extrusions (鋁擠壓)

③Casting (鑄造，壓鑄)

④Bonded & swaged fin (插齒)

⑤Folded fin assemblies (折疊齒)

 

⑥Skived (鏟削)

6.3 熱管

熱管的構成如下圖所示：

 

熱管主要包括三個部分：外殼、工作流質和毛細吸液層。

通常外殼材料為純銅；工作流質為純凈水（對於其他用途的熱管，工作流質也可為其它種類），含量很少；根據熱管內部毛細層的不同，常見的熱管可分為纖維型、溝槽型、篩網型和燒結型，其中溝槽型和燒結型應用最廣，各種類型熱管的優、缺點如下表所示。

 

熱管是一種傳導率非常高的導熱材料，可達30000 W/m.℃以上，熱管的導熱率不是恆定的。在一定范圍內，通常受熱端溫度越高，則熱管導熱率越高。但是當溫度到達一定程度時，熱管的導熱率會急劇下降，造成失效。因此對於不同規格的熱管，都有一個最大傳輸功率。

7.后話

現在的產品設計幾乎必定有熱設計，沒有熱設計的產品反而很難找到，所以這一章節是必須要掌握的了。記住“傳導、對流、輻射”三種熱傳導方式，面試時也很喜歡問。

 還有可以作為結構工程師可以學習一點簡單的熱仿真，這也是加分點。