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产品热设计

VCS项目散热预研

欧国彦

2012-12-4

热设计、冷却方式、散热器、热管技术

完美整理

电子产品的散热设计

一、 为什么要进行散热设计

在调试或维修电路的时候，我们常提到一个词“烧了”，这个有时是电阻、有时是 保险丝、有时是芯片，可能很少有人会追究这个词的用法，为什么不是用“坏”而是用 “烧”？其原因就是在机电产品中，热失效是最常见的一种失效模式，电流过载，局部空间 内短时间内通过较大的电流，会转化成热，热**不易散掉，导致局部温度快速升高，过高 的温度会烧毁导电铜皮、导线和器件本身。所以电失效的很大一部分是热失效。

高温对电子产品的影响 ：绝缘性能退化；元器件损坏；材料的热老化；低熔点焊缝开 裂、焊点脱落。

温度对元器件的影响 ：一般而言，温度升高电阻阻值降低；高温会降低电容器的使用 寿命；高温会使变压器、扼流圈绝缘材料的性能下降，一般变压器、扼流圈的允许温度要 低于95C；温度过高还会造成焊点合金结构的变化—IMC增厚，焊点变脆，机械强度降低；结 温的升高会使晶体管的电流放大倍数迅速增加，导致集电极电流增加，又使结温进一步升 高，最终导致元件失效。

那么问一个问题，如果假设电流过载严重，但该部位散热极好，能把温升控制在很低 的范围内，是不是器件就不会失效了呢？答案为“是”。

由此可见，如果想把产品的可靠性做高，一方面使设备和零部件的耐高温特性提高， 能承受较大的热应力（因为环境温度或过载等引起均可）；另一方面是加强散热，使环境 温度和过载引起的热量全部散掉，产品可靠性一样可以提高。

二、 散热设计的目的

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准及规 范所规定的最高温度。最高允许温度的计算应以元器件的应力分析为基础,并且与产品的可 靠性要求以及分配给每一个元器件的失效率相一致。

三、 散热设计的方法

1 、 冷却方式的选择

我们机电设备常见的是散热方式是散热片和风扇两种散热方式，有时散热的程度不 够，有时又过度散热了，那么何时应该散热，哪种方式散热最合适呢？这可以依据热流密 度来评估，热流密度=热量/ 热通道面积。

按照《GJB/Z27-92 电子设备可靠性热设计手册》的规定（如下图1），根据可接受的 温升的要求和计算出的热流密度，得出可接受的散热方法。如温升40℃（纵轴），热流密 度0.04W/cm2（横轴），按下图找到交叉点，落在自然冷却区内，得出自然对流和辐射即可

满足设计要求。

大部分散热设计适用于上面这个图表，因为基本上散热都是通过面散热。但对于密封 设备，则应该用体积功率密度来估算，热功率密度=热量/ 体积。下图（图2）是温升要求 不超过40℃时，不同体积功率密度所对应的散热方式。比如某电源调整芯片，热耗为 0.01W，体积为0.125cm3，体积功率密度=0.1/0.125=0.08W/cm3，查下图得出金属传导冷却 可满足要求

按照上图，可以得出冷却方法的选择顺序：自然冷却一导热一强迫风冷一液冷一蒸发 冷却。体积功率密度低于0.122W/cm3传导、辐射、自然对流等方法冷却；0.122-0.43W/cm3 强迫风冷；0.43～O.6W/cm3液冷；大于0.6W/cm3蒸发冷却。注意这是温升要求40℃时的推 荐参考值，如果温升要求低于40℃，就需要对散热方式降额使用，0.122时就需要选择强迫 风冷，如果要求温升很低，甚至要选择液冷或蒸发冷却了。

2 、 散热器的选择

这里面还应注意一个问题，是不是强迫风冷能满足散热要求，我们就可以随便选择风 扇转速呢，当然不是，风扇的转速与气流流速有直接关系，这里又涉及一个新概念——热 阻。

热阻=温度差/ 热耗（单位℃/W）

热阻越小则导热性能越好，这个概念等同于电阻，两端的温度差类似于电压，传导的 热量类似于电流。风道的热阻涉及流体力学的一些计算，如果我们在热设计方面要求不是 很苛刻，可通过估算或实验得出，如果要求很苛刻，可以查阅《GJB/Z27-92 电子设备可靠 性热设计手册》，里面有很多系数、假设条件的组合，三言两语说不清楚，个别系数我也 没搞明白如何与现实的风道设计结合，比如，风道中有一束电缆、风道的壁不是均匀的金 属板，而是有高低不平带器件的电路板，对一些系数则只能估算了，最准确的方式反而是 实验测量了。

热阻更多的是用于散热器的选择，一般厂家都能提供这个参数。举例，芯片功耗20W， 芯片表面不能超过85℃，最高环境温度55℃，计算所需散热器的热阻R。

计算：实际散热器与芯片之间的热阻近似为0.1℃/W，则(R+0.1)=(85-55) ℃/20W，则 R=1.4℃/W。依据这个数值选散热器就可以了。

这里面注意一个问题，我们在计算中默认为热耗≈芯片功率，对一般的芯片，我们都 可以这样估算，因为芯片中没有驱动机构，没有其他的能量转换机会，大部分是通过热量 转化掉了。而对于电源转换类芯片或模块，则不可以这样算，比如电源，它是一个能源输 出，它的输入电量一部分转化成了热，另外很大部分转化成电能输出了，这时候就不能认 为热耗≈功率。

3 、 散热器的设计方法

3.1、散热器设计的步骤

通常散热器的设计分为三步

a:根据相关约束条件设计处轮廓图。

b:根据散热器的相关设计准则对散热器齿厚、齿的形状、齿间距、基板厚度进

行优化。

c:进行校核计算。

3.2 、自然冷却散热器的设计方法

3.2.1、考虑到自然冷却时温度边界层较厚，如果齿间距太小，两个齿的热边界层易交 叉，影响齿表面的对流，所以一般情况下，建议自然冷却的散热器齿间距大于12mm，如果 散热器齿高低于10mm，可按齿间距≥1.2倍齿高来确定散热器的齿间距。

3.2.2、自然冷却散热器表面的换热能力较弱，在散热齿表面增加波纹不会对自然对流 效果产生太大的影响，所以建议散热齿表面不加波纹齿。

3.2.3、自然对流的散热器表面一般采用发黑处理，以增大散热表面的辐射系数，强化 辐射换热。

3.2.4、由于自然对流达到热平衡的时间较长，所以自然对流散热器的基板及齿厚应足 够，以抗击瞬时热负荷的冲击，建议大于5mm以上。

3.3 、强迫冷却散热器的设计方法

• 3.3.1、 在散热器表面加波纹齿，波纹齿的深度一般应小于0.5mm。

3.3.2、增加散热器的齿片数。目前国际上先进的挤压设备及工艺已能够达到23的高 宽比，国内目前高宽比最大只能达到8。对能够提供足够的集中风冷的场合，建议采用低温 真空钎焊成型的冷板，其齿间距最小可到2mm。

• 3.3.3、 采用针状齿的设计方式，增加流体的扰动，提高散热齿间的对流换热系 数。

• 3.3.4、 当风速大于1m/s(200CFM)时，可完全忽略浮升力对表面换热的影响。

3.4 、在一定冷却条件下，所需散热器的体积热阻大小的选取方法

• 3.5 、在一定的冷却体积及流向长度下，确定散热器齿片最佳间距的大小 的方法

• 3.6 、不同形状、不同的成型方法的散热器的热传递效率比较的大小的方 法

3.7 、散热器的相似准则数及其应用方法

3.7.1、相似准则数的定义

3.7.2、相似准则数的应用

3.8、散热器的基本的优化方法

3.9、不同风速下散热器齿间距选择方法

3.10、优化散热器齿间距的经验公式及评估风速变化对热阻的影响的经验 公式

3.11、辐射换热的考虑原则

①如果物体表面的温度低于50℃，可忽略颜色对辐射换热的影响。因为此时辐射波长

相当长，处于不可见的红外区。而在红外区，一个良好的发射体也是一个良好的吸收体， 发射率和吸收率与物体表面的颜色无关。

②对于强迫风冷，由于散热表面的平均温度较低，一般可忽略辐射换热的贡献。

③如果物体表面的温度低于50℃，可不考虑辐射换热的影响。

④辐射换热面积计算时，如表面积不规则，应采用投影面积。即沿表面各部分绷紧绳 子求得的就是这一投影面积，如下图所示。辐射传热要求辐射表面必须彼此可见。

4 、 风路的设计方法

4.1、自然冷却的风路设计

4.1.1、设计要点：

• 机柜的后门(面板)不须开通风口。

• 底部或侧面不能漏风。

• 应保证模块后端与机柜后面门之间有足够的空间。

• 机柜上部的监控及配电不能阻塞风道，应保证上下具有大致相等的空间。

• 对散热器采用直齿的结构,模块放在机柜机架上后,应保证散热器垂直放置,即齿槽 应垂直于水平面。对散热器采用斜齿的结构,除每个模块机箱前面板应开通风口外, 在机柜的前面板也应开通风口。

4.1.2、典型的自然冷机柜风道结构形式

4.2、强迫冷却的风路设计