白亮+刘运凯

摘 要：随着电子技术的发展，电子技术在社会各个领域得到了广泛的应用。为保证元器件和设备的热可靠性以及对温度压力变化的恶劣环境条件的适应能力，电子元器件和设备的热控制和热分析技术得到了普遍的重视和发展。

关键词：热设计；导热；对流换热；辐射换热

由于电子元器件的小型化、微小型化和超大规模集成电路、专用集成电路、超高速集成电路等电子技术的不断发展，微电子元器件和设备的组装密度也在迅速提高，同时设备的热流密度也在迅速增加。因此，热设计的主要目的就是防止电子元器件和设备热失效，提供良好的散热环境，保证电子元器件和设备的正常可靠地工作。

一、热设计的原则

（一）热设计的基本要求

电子设备热设计是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率λb与温度T、电应力比S的关系模型，进行可靠性预计分析，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的质量等级等数据，预计元器件的工作失效率以及设备的可靠隆。

（二）热设计的基本原则

电子设备热设计的基本任务是在热源与热沉之间提供一条低热阻的通道，保证热量能够迅速传递出去，以满足可靠性的要求。

1.保证热设计控制系统具有良好的冷却功能，即可用性。要保证设备内电子元器件均能在规定的热环境中正常工作，保证设备不管环境条件如何变化，冷却系统都能按照预期的方式完成规定的冷却功能。

2.保证设备热控制系统的可靠性。在规定的使用期限内，冷却系统的故障率应远比元器件的故障低。特别是对一些强迫冷却系统和蒸发冷却系统而言。

3.热设计的控制系统应有良好的适应性。在设计时，散热时的可调性必须要留有余地，因为有的设备在工作一段时间后，由于工程变化需求，可能会引起热损耗或热阻的增加，就会需要增大设备的散热能力来解决热控制系统的可靠性问题。

二、热设计的理论基础

根据热力学第二定律指出，在一定的温度场内，只要有温度梯度（即温差）存在，就会有热量的传递，而热量总是从高温传向低温。

热量的传递有导热，对流换热以及辐射换热三种基本方式。在终端设备的散热过程中，这三种方式都有发生。这三种传热方式的热量分别由以下公式计算：

Fourier导热公式： Q=λA（Th-Tc）/δ

Newton对流换热公式： Q=αA（Tw-Tair）

辐射4次方定律： Q=5.67e-8*εA（Th4-Tc4）

其中λ、α、ε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。

（一）导热

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。

导热过程中传递的热量按照傅立叶导热定律计算：

Q=λA（Th-Tc）/δ

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；

δ为两个面之间的距离，单位为m ；

λ为材料的导热系数，单位为W/（m* ℃），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，液体的大于气体。例如 常温下纯铜的导热系数高达400 W/（m* ℃），纯铝的导热系数为236 W/（m* ℃），水的导热系数为 0.6 W/（m*℃），而空气仅 0.025W/（m*℃）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。

（二）对流换热

对流换热是指流动的流体流经温度与之不同的固体表面时，由于温差引起的相互之间发生的热量传递过程。这是通信设备散热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。

三、热设计的方法步骤

（一）散热方式的选择

电子设备热设计，首先要熟悉和掌握与热设计有关的标准、规范，确定设备或元器件的散热面积、散热器或冷却剂的最高和最低环境温度范围。对每个元器件进行应力分析，并根据设备可靠性及分配给每个器件的失效率，确定每个器件的最高允许温度，确定每个发热元器件的功耗和设备环境限制条件（如：陆用，空用、舰船用，体积，重量，安装密封性等）来确定设备在散热过程中，以哪种散热为主要导热方式。

（二）元器件的布局

热设计要与电路设计同时进行，电路的元器件布局是否合理会直接影响到设备的散热效果。

1.热阻大，发热量大的元器件放在靠近冷风口端，使其流经散热器的冷风是最大的。

2.热阻大，发热量大的元器件要尽可能远离热敏感元件或者隔离。

3.发热量大的元器件要尽可能的均匀分布，不要集中在一起。

四、结论

随着电子技术的迅速发展，电子设备热设计在开发过程中越来越重要。由于电子设备微型化与超高速集成化的趋势，电子设备的计算机辅助热设计的发展与电路板结构的设计需要有机的结合起来，利用各种有效的，新型的散热方式进行冷却散热。热设计的好坏直接影响产品的可靠性和品质指标。

参考文献：

[1]邱成悌，赵惇殳，蒋全兴.电子设备结构设计原理[M].南京：东南大学出版社，2001.

[2]余建祖.电子设备热设计及分析技术[M].北京：高等教育出版社，2001.

[3]王健石，朱东霞.电子设备热设计速查手册[M].北京：电子工业出版社，2008.

[4]GJB/Z299.电子设备可靠性预计手册.