电子设备热设计基础知识

电子设备热设计是可靠性设计的一项关键技术。热设计的目的是要保证电子元器件及设备在规定的热环境下，能安全正常的工作。掌握热设计的基本原则，正确选择电子设备的冷却方法，对提高电子设备的热可靠性至关重要。

本篇主要讨论如下五个问题:

一、电子设备热设计的目的;

二、电子设备的热环境;

三、电子设备冷却方法的分类;

四、电子设备热设计的基本原则;

五、电子设备冷却方法的选择。

一、电子设备热设计的目的自1948年半导体器件问世以来，电子元器件的小型化、微小型化和集成技术的不断发展，由于超大规模集成电路（VLSIC）、专用集成电路（ASIC）、超高速集成电路（VHSIC）、无引线器件、表面贴装和多芯片模块（MCM）等微电子技术，在结构、工艺、组装等诸多领域的不断发展，使微电子器件及设备的组装密度和功率密度在迅速提高，如图1所示。❖ 图1研究表明，芯片级的热流密度高达300W/cm2，而半导体集成电路芯片的结温应低于100℃，如此高的热流密度，若不采取合理的热设计技术，必将严重影响电子元器件和设备的热可靠性。

电子设备热设计的目的是为芯片级、元件级、组件级和系统级提供良好的热环境，保证它们在规定的热环境下，能按预定的方案正常、可靠的工作。热控制系统必须具有在规定的使用期内，完成所规定的功能，并以最少的维护保证其正常工作的功能。

防止电子元器件的热失效是热设计的主要目的之一。热失效是指电子元器件直接由于热因素而导致完全失去其电气功能的一种失效形式。在确定热设计方案时，电子元器件的最高允许温度和最大功耗应作为主要的设计参数。

二、电子设备的热环境各类电子设备使用场所热环境的可变性是热设计的一个必须考虑的重要因素，电子设备的热环境包括：

① 环境温度和压力（或高度）的极限值；

② 环境温度和压力（或高度）的变化率；

③ 太阳或周围物体的辐射热；

④ 可利用的热沉（包括：种类、温度、压力和湿度）；

⑤ 冷却剂的种类、温度、压力和允许的压降（对由其他系统或设备提供冷却剂进行冷却的设备而言）。

这里先点明一下热沉的概念，所谓热沉，是指一个无限大的热容器，它的温度不随传递到它的热能大小而变化，它可能是大地、大气、大体积的水或宇宙，又称热地。

过去我们也称为“最终散热器”，也就是我们将在后面讨论的热电模拟回路中的接地点。对空用和陆用设备而言，周围的大地就是热沉。在理解热回路和热沉的概念上，我们可以把它与电路类比。

三、冷却方法分类1. 按冷却剂与被冷却元器件之间的配置分类

① 直接冷却。这种方法是冷却剂进入电子设备后，直接与被冷却元件相接触，将元器件的热量带走，达到冷却的目的，② 间接冷却。设备内部的冷却剂通过所有的发热元件，将接收到的热量传到设备的外壳，再通过外部的一个热交换器，由外部冷却剂将热量散掉.按传热机理分类按传热机理分类，有如下几种方法。

① 自然冷却；

② 强迫冷却；

③ 蒸发冷却；

④ 其他冷却方法。

四、电子设备热设计基本原则1.热设计的基本要求电子设备热设计是设备可靠性设计的一项重要技术。

由于温度与元器件失效率的指数规律，随着温度的升高，失效率迅速增加。因此，在进行热设计时，必须首先了解元器件的热特性，并根据GJB/Z299《电子设备可靠性预计手册》提供的元器件基本失效律λb与温度T、电应力比S的关系模型，进行可靠性预测，此时要求预先分析元器件的工作环境温度和电应力比S，以便利用“T-S”表或曲线图查得λb值。在此基础上，可以根据设备工作环境的类别和元器件质量等级等，预测元器件的工作失效率以及设备的可靠性。

① 热设计应满足设备可靠性的要求。高温对大多数电子元器件将产生严重的影响。过应力（电、热或机械应力）容易使元器件过早失效，电应力与热应力之间有着紧密的内在联系，减少电应力（降额）可使热应力得到相应的降低，从而提高其可靠性。在进行热控制系统设计时，应把元器件的温度控制在规定的数值以下。

② 热设计应满足设备预期工作的热环境要求。

③ 热设计应满足对冷却系统的限制要求。

④ 子设备热设计应与电路设计及结构设计同步进行。

⑤ 热设计与维修性设计相结合，提高设备的维修性。

⑥ 根据发热功耗、环境温度、允许工作温度、可靠性要求，以及尺寸、质量、冷却所需功率、经济性与安全等因素，选择最简单、最有效的冷却方法。

⑦ 为了防止水汽冷凝造成的电气短路或电化学腐蚀等，舰船用的电子设备，应避免在空气的露点温度以下工作。

⑧ 热设计应保证电子设备在紧急情况下，具有最基本的冷却措施，关键部件或设备在冷却系统某些部件遭破坏或不工作的情况下，应具备继续工作的能力。

2. 热设计的基本原则电子设备热设计的基本任务是在热源至热沉之间提供一条低热阻的热流通道，保证热量迅速传递出去，以便满足热可靠性的要求。

① 保证热设计系统具有良好的冷却功能，即可用性。要保证设备内的电子元器件均能在规定的热环境中正常工作，每个元器件的配置必须符合热安装要求。

② 保证设备热设计系统的可靠性。在规定的使用期限内，冷却系统的故障率应比元器件的故障率低。

③ 热设计系统应有良好的适应性（相容性）。设计中可调性必须留有余地，因为有的设备在工作一段时间后，由于工程上的变化，可能会引起热损耗或流体流动阻力的增加，则要求增大其散热能力，以便无需多大的变更就能增加其散热能力。

④ 热设计系统应有良好的维修性。为了便于测试、维修和更换元件，设备中的关键元器件要易于接近和取放。

⑤ 热设计系统应有良好的经济性。经济性包括热控制系统的初次投资成本，日常运行和维修费用等。热设计系统的成本只占整个设备成本的一定比例。

五、电子设备冷却方法的选择电子设备的热设计，首先要从确定元器件或设备的冷却方法开始。

冷却方法的选择直接影响元器件或设备的组装设计、可靠性、质量和成本等。要有效地控制元器件或设备的温度，必须首先确定它们的发热量、与散热有关的结构尺寸、工作环境条件及其他特殊要求（如密封、气压等）。

冷却方法的选择应与电子线路的模拟试验研究同时进行，它既能满足电气性能的要求，又能满足热可靠性指标的要求。选择冷却方法时，应考虑设备（或元器件）的热流密度、体积功率密度、总功耗、体积、表面积、工作热环境条件、热沉以及其他特殊条件等。一)

一般情况下，电子设备的冷却方法的选择有如下几种:

1. 自然冷却的优点是可靠性高，成本低。它不需要通风机或泵之类的冷却剂驱动装置，避免了因机械部件的磨损或故障影响系统可靠性的弊病，因此，在考虑冷却方法时，应优先考虑自然冷却方法。

2. 目前在一些热流密度不太高，而温度要求也不高的电子设备中广泛地采用自然冷却方法。而在热流密度比较大，温升要求比较高的设备中，则多数采用强迫通风冷却，此种方法与液体冷却、蒸发冷却相比较，具有设备简单、成本低的特点。因此，尽管强迫通风冷却系统的体积和质量大些，但对要求不十分严格的陆用设备还是一种非常合适的冷却方法。

3. 设备内部元器件的冷却方法应使发热元器件与被冷却表面或散热器之间有一条低热阻的传热路径，并具有冷却方法应简单、可靠性维修性好、成本低等特点。利用金属导热是最基本的传热方法，其热路容易控制。而辐射换热则需要较高的温差，且传热路径不易控制。对流换热需要较大的换热面积，在安装密度较高的设备内部难以满足要求。

4. 直接液体冷却适用于体积功率密度较高的电子元器件或设备，也适用那些必须在高温环境条件下工作，且元器件与被冷却表面之间的温度梯度又很小的部件。

5. 直接沸腾（蒸发）冷却适用于体积功率密度很高的设备或电子元器件。

6. 热电制冷是一种产生负热阻的制冷技术，其优点是不需要外界动力，且可靠性高；缺点是效率低、质量大等。

7. 热管是一种传热效率很高的传热器件，其传热性能比相同的金属导热能力高几十倍，且热管两端的温差很小。在应用热管传热时，主要问题是如何减小热管两端接触界面上的热阻。二)根据设备的允许温升和热流密度确定冷却方法的选择，可见，当温升为60℃时，自然冷却的热流密度小于0.05W/cm2，因此，这种冷却方法不可能提供1W/cm2的热流密度，甚至在温升为100℃时也是这样。如果用强迫通风冷却，则传热能力可提高一个数量级。若采用碳氟有机液相变（蒸发）冷却，则可提供相当高的传热能力，且这种冷却剂具有很高的介电特性，可使大多数功率元件直接浸入工作液进行冷却，其热流密度将超过10W/cm2，而温升却小于10℃。在冷却方法确定后，应仔细研究电子设备中各类电子元器件的热安装方案和设备的整体结构形式。从热设计要求出发，应尽量减小传热路径的热阻，合理分配各个传热环节的热阻值。正确布置发热元件与热敏元件的位置及间距。注意印制板组装件的放置方向和它们的间距，保证冷却气流均匀地流过发热元器件，形成合理的气流通路。