电子产品的热设计

电子产品的热设计

9.1、目的 

 

控制电子产品内部所有电子元器件的温度，使其在产品所处的工作环境条件下不超过规定的允许温度，从而保证电子产品正常、可靠的工作。 

GJB450A－2004 《产品可靠性工作通用要求》

GJB/Z 27-1992 《电子设备可靠性热设计手册》

GJB/Z 299B-1998《电子设备可靠性预计手册》

GB/T 15428-1995 《电子设备用冷板设计导则》

GB/T7423.2－1987 半导体器件散热器  型材散热器

GB/T7423.3－1987  半导体器件散热器  叉指形散热器

9.2、相关标准

热环境包括产品或元器件周围流体的种类、温度、压力及速度，表面温度、外形及黑度，每个元器件周围的传热通路等。

热流密度：单位面积的热流量。

体积功率密度：单位体积的热流量。

热阻： 热量在热流路径上遇到的阻力。

热阻网络：热阻的串联、并联或混联形成的热流路径图。

冷板：利用单相流体强迫流动带走热量的一种换热器。

热沉：是一个无限大的热容器，其温度不随传递到它的热能大小而变化。它可能是大地、大气、大体积的水或宇宙等。又称热地。

9.3 基本概念 

应通过控制散热量的大小来控制温升；

选择合理的热传递方式（传导、对流、辐射）；传导冷却可以解决许多热设计问题，对于中等发热的产品，采用对流冷却往往合适，辐射传热是空间电子设备的主要传热方式；

尽量减小各种热阻，控制元器件的温度；电子产品热设计中可能遇到三种热阻：内热阻、外热阻和系统热阻。内热阻是指产生热量的点或区域与器件表面指定点（安装表面）之间的热阻；外热阻是指器件上任意参考点（安装表面）与换热器间，或与产品、冷却流体和环境交界面之间的热阻；系统热阻是指产品外表面与周围空气间或冷却流体间的热阻；

9.4 热设计的基本原则

采用的冷却系统应该简单经济，并适用于电子产品所在的环境条件的要求；

应考虑尺寸和重量、耗热量、经济性、与失效率对应的元器件允许温度、电路布局、产品的复杂程度等因素；

应与电气及机械设计同时进行；

不得有损于产品的电性能；

热设计与电路设计有矛盾时，应采用折中的解决方法；

应尽量减小热设计中的误差。

电子产品热设计主要包括冷却方法的选择、元器件的安装与布局、印制电路板散热结构的设计和机箱散热结构的设计。常见的热设计流程。

见下图:

9.5 热设计的方法 

通常采用元器件经降额设计后允许的温值做为热设计目标。

9.6热设计目标的确定

(1) 常用的冷却方法

    电子产品的冷却方法包括自然冷却、强迫空气

冷却、强迫液体冷却、蒸发冷却、热电致冷(半导体

致冷)、热管传热和其它冷却方法（如导热模块－

TCM技术、冷板技术，静电致冷等）。其中自然冷

却、强迫空气冷却、强迫液体冷却和蒸发冷却是常

用的冷却方法。

9.7 常用冷却方法的选择及设计要求

（2）冷却方法的

选择 

     冷却方法确定的程序

见右图所示，在所有的

冷却方法中应优先考虑

自然冷却，因为这种冷

却无需外加动力源，故

其可靠性在所有冷却方

法中属，且成本

低。

常用冷却方法的热流密度和体积功率密度

见下图。

常用冷却方法的热流密度 

常用冷却方法的体积功率密度 

      常用冷却方法的优选顺序：自然冷却、强迫风冷冷却、液体冷却、蒸发冷却。

(3) 冷却方法的选择示例

功耗为300W的电子组件，拟将其安装在一248mm

×381mm×432mm的机柜里，放在正常室温的空

气中，是否需要对此机柜进行特殊的冷却措施？是

否可以把此机柜设计得再小一些？

    首先计算该机柜的体积功率密度和热流密度：

     体积功率密度：

热流密度： 

式中：  ——体积功率密度；

        ——热流密度；

        ——功耗；

        ——设备体积；

        ——设备表面积。

      由于    很小，而    值与图中自然空气冷却的热流密度比较接近，所以不需要采取特殊的冷却方法，而依靠空气自然对流冷却就足够了。

 

 若采用强迫风冷冷却，热流密度大约可达0.3W/cm2，因此采用强迫风冷时，可以把机柜表面积减小到1000cm2(自然冷却所需的表面积为7500cm2)。

(4) 常用冷却方法的设计要求

保证沸腾过程处于核态沸腾；

冷却剂的沸点温度低于设备中发热元器件的允许工作温度；

直接蒸发冷却时，电子元器件的安装应保证有足够的空间，以利于气泡的形成和运动；

冷却液应粘度小、密度高、体积膨胀系数大、导热性能好，且具有足够的绝缘性能；

封闭式蒸发冷却系统应有冷凝器，其二次冷却可用风冷或液冷；

冷却系统应易于维修。

蒸

发

冷

却

冷却剂优先选用蒸馏水，对有特殊要求的应选用去离子水；

确保冷却剂在工作温度时不沸腾，在工作温度时不结冰；

应考虑冷却剂的热膨胀，机箱应能承受一定的压力；直接液体冷却的冷却剂与电子元器件应相容；

应配置温度、压力（或流量）控制保护装置，并装有冷却剂过滤装置；

为提高对流换热程度，可在设备的适当位置装紊流器。

强

迫

液

体

冷

却

用于冷却设备内部元器件的空气必须经过过滤；强迫空气流动方向与自然对流空气流动方向应一致；

入口空气温度与出口空气温度之温差一般不超过14℃；冷却空气入口与出口位置应远离；

通风孔尽量不开在机箱的顶部；

工作在湿热环境的风冷电子设备，应避免潮湿空气与元器件直接接触，可采用空芯印制电路板或采用风冷冷板冷却的机箱；

尽量减小气流噪声和通风机的噪声；大型机柜强迫风冷时，应尽量避免机柜缝隙漏风；

设计机载电子设备强迫空气冷却系统时，应考虑飞行高度对空气密度的影响；

舰船电子设备冷却空气的温度不应低于露点温度。

强

迫

空

气

冷

却

限度的利用导热、自然对流和辐射散热；缩短传热路径，增大换热或导热面积；

减小安装时的接触热阻，元器件的排列有利于流体的对流换热；采用散热印制电路板，热阻小的边缘导轨；

印制板组装件之间的距离控制在19-21mm；增大机箱表面黑度，增强辐射换热。

自

然

冷

却

              设计要求

冷却方法

9.8 功率器件的热设计 

 

   功率器件发热量大，靠自身散热难以满足要求，一般需安装散热器来辅助散热。功率晶体管大

都具有较大且平整的安装表面，并具有螺钉或导热

螺栓将其安装在散热器上，管壳与集电极有电连接

时，安装设计必须保证电绝缘。对某一特定的晶体

管而言，内热阻是固定的。为减小管壳与散热器之

间的界面热阻，应选用导热性能好的绝缘衬垫（如

导热硅橡胶片、聚四氟乙烯、氧化铍陶瓷片、云母

片等等）和导热绝缘胶，并且应增大接触压力。 

（1）热阻网络

 

           功率器件装上散热器后，其热阻网络如图a所示。器件内热阻RTj（℃/W）保持不变，Pc（W）为器件功耗，Ta（℃）为环境温度，Tj（℃）为器件结温，Tf（℃）为散热器表面温度，器件的热量一方面通过外壳直接向周围传递，外热阻RTp（℃/W），另一方面器件将热量传给散热器，它们之间的热阻为接触热阻RTc（℃/W），然后再由散热器把热量发散到周围空间，其热阻为散热器热阻RTf（℃/W）。通常器件外壳直接散到周围环境的热量远比经散热器散到周围空间的热量少，则外壳到周围环境的散热可忽略不计，而认为热量都经散热器散到周围环境空间， 即RTp 》（RTc+ RTf），图a简化成图b。

图a、安装散热器的热阻网络图 

图b、热阻网络简化图 

     根据热电模拟法，将功耗模拟为电流，温

差模拟为电压，热阻模拟为电阻，可以计算

出热阻网络中各个热阻值：

 

式中：RT——系统总热阻（℃/W）。

    由上式可知，要提高功率器件经过散热

器耗散的热量，应尽量降低各个热阻值。而

功率器件内热阻RTj由功率器件的工艺决定

的，其值固定不变，因而应主要考虑如何采

取有效措施减小功率器件与散热器之间的接

触热阻和散热器热阻。接触热阻RTc是器件与

散热器之间的接触应力产生的热阻，影响因

素较多。散热器的热阻RTf是选择散热器的主

要依据。

(2) 散热器的选择与使用

散热器的种类

     散热器的品种很多，如平板式、柱式、扇顶式、

辐射肋片式、型材散热器和叉指形散热器等，下表

列出了几种常用散热器的特点。

体积小，重量轻，散热效果好。

叉指形散热器

可根据需要截取长度，其热阻并不直接随长度的增加而减小。

型材散热器

管壳与散热器有良好的热接触，散热效果较好，

适用于小功率晶体管的散热。耗散功率范围为 0.5～2W。

扇顶型散热器

特点

散热器种类

（3） 散热器的选择和使用原则

 

根据功率器件的功耗、环境温度及允许的结温（Tjmax），并保证工作结温Tj≤（0.5～0.8）Tjmax的原则下，选择合适的散热器；

散热器与功率器件的接触平面应保持平直光洁，散热器上的安装孔应去毛刺；

在功率器件、散热器和绝缘片之间的所有接触面处应涂导热膏或加导热绝缘硅橡胶片；

型材散热器应使肋片沿其长度方向垂直安装，以便于自然对流；

散热器应进行表面处理，以增强辐射换热；

应考虑体积、重量及成本的限制和要求。

（4） 散热器选择示例

      已知某电子线路使用3DD157A型功率晶体管，其功率Pc为20W，环境温度Ta为30℃，管壳与散热器直接接触，接触热阻RTc为0.5℃/W，试选用合适的散热器。     由晶体管手册查得3DD157A的有关参数为：允许结温Tjmax175℃；内热阻RTj3.3℃/W。由于是选取散热器，因此考虑最坏情况，即Tj等于Tjmax。

    从结至环境的总热阻RT：

 RT＝（Tj－Ta）/P＝（175－30）/20＝7.25(℃/W)

     计算散热器的热阻RTf：

RTf＝RT－RTj－RTc＝7.25-3.3-0.5＝3.45(℃/W) 

    因此，只要选择的散热器热阻低于3.45℃/W，就能保证功率管的结温小于175℃。为使设备体积小、

重量轻，可采用叉指形散热器。由GB7423.3查得

SRZ106型散热器能满足散热要求。

元器件的安装位置应保证元器件工作在允许的工作温度范围内；

元器件的安装位置应得到的自然对流；

元器件应牢靠地安装在底座、底板上，以保证得到的传导散热；

热源应接近机架安装，与机架有良好的热传导；

元器件、部件的引线腿的横截面应大，长度应短。

温度敏感元件应放置在低温处。若邻近有发热量大的元件，则需对温度敏感元件进行热防护，可在发热元件与温度敏感元件之间放置较为光泽的金属片来实现；

元器件的安装板应垂直放置，利于散热。

9.9 元器件的安装与布局

（1）元器件的安装与布局的原则

（2）元器件的安装方法

    常用元器件的安装方法见下表所示。

与发热元器件间采用热屏蔽和热隔离措施。具体有：

（a）尽可能将热通路直接连接至热沉；

（b）加热屏蔽板形成热区和冷区。

温度敏感元器件

置于温度的区域，一般是靠近与散热器之间热阻的部分。

不发热元器件

将元器件分别装在独立的导热构件上，如果将其装在一个共同的散热金属导体上，可能

会出现明显的热的相互作用。

传导冷却的元器件

电源变压器是重要的热源，当铁芯器件的温度比较高时，应特别注意其热安装，应使其安装

位置限度地减小与其它元器件间的相互作用，将它安装在外壳的单独一角或安装在

一个单独的外壳中。

变压器和电感器

小功率晶体管、二极管及集成电路的安装位置应尽量减少从大热源及金属导热通路的发热部

分吸收热量，可以采用隔热屏蔽板。对功率等于或大于1W，且带有扩展对流表面散热器的元

器件，应采用自然对流冷却效果的安装方法与取向。

半导体器件

大功率电阻器发热量大，不仅要注意自身的的冷却，而且还应考虑减少对附近元器件的热辐

射。长度超过100mm的电阻器要水平安装，如果元器件与功率电阻器之间的距离小于50mm，则

需要在大功率电阻器与热敏元件之间加热屏蔽板。

电阻器

                  安装方法

 元器件种类

（3）印制板上元器件安装与布局要求

安装在印制电路板上的元器件的冷却，主要依靠导热提供一条从

元器件到印制板及机箱侧壁的低热阻路径。

(a) 为降低从元器件壳体至印制板的热阻，可用导热绝缘胶直接将元器件粘到印制板或导热条（板）上，若不用粘接时，应尽量减小元器件与印制板或导热条（板）间的间隙。

(b) 大功率元器件安装时，若要用绝缘片，应采用具有足够抗压能力和高绝缘强度及导热性能的绝缘片，如导热硅橡胶片。为了减小界面热阻，还应在界面涂一层薄的导热膏。

(c) 同一块印制板上的元器件，应按其发热量的大小及耐热程度分区排列，耐热性差的元器件放在冷却气流的最上游（入口处），耐热性能好的元器件放在最下游（出口处）。

(d) 有大、小规模集成电路混合安装的情况下，应尽量把大规模集成电路放在冷却气流的上游，小规模集成电路块放在下游，以使印制板上的温升趋于均匀；

(e) 因电子设备工作范围较宽，元器件引线和印制板热膨胀系数不一致，在温度循环变化及高温条件下，应注意采取减小热应变的一些结构措施。

（4）减少元器件热应变的安装方法

对于搭焊或浸焊的具有轴向引线的圆柱形元件，如电阻器、电容器和二极管，应提供最小的应变量为2.54mm，如图(a)所示。大型矩形元件，如变压器和扼流圈，需要有较大的应变量，故采用图(b)、(c)的安装方法。

      常把各种元器件紧密地安装在较密集的结构中，因此用于引线应变的有效释放的空间较小。通常把引线弯成环形，

可以得到较大的应变量。

晶体管的常用安装方法见图所示。其中图(a)是把晶体管直接安装在印制板上，由于引线的热应变量不够和底部散热性能差，易使焊点在印制电路热膨胀冷缩时产生断裂。其它几种热安装方法散热较好，但应注意图(e)的安装方法不适合于工作在振动环境中的元器件。 

双列直插式（DIP）集成电路的安装。功率较大的集成电路，可在其壳体下部与印制板之间设有金属导热条，厚度满足散热要求，为了减少接触热阻，在接触面之间采用粘结剂。如图9(a)、(b)所示。功率较小的集成电路，可不用粘结剂或导热条，在集成电路与印制板之间留有间隙即可，如图（c）、（d）、(e)所示。

9.10 印制电路板的热设计

       印制电路板热设计的目的是实现印制电路板良好的散热，

以保证印制电路板上元器件和功能电路正常工作，从而保证

系统的可靠性。

（1）常用的印制电路板

     常用的覆铜箔层压板及其主要适用的工作温度和特性如表 

介质损耗小，介电常数低，价格昂贵，适用于

制作国防级别产品和高频微波设备中的印制

板。

可在200℃以下长期工作

覆铜箔聚四氟乙烯玻璃布层压板

透明程度好，适用于制作电子、电器设备中的

印制板。

可达130℃

覆铜箔环氧玻璃布层压板

适用于制作工作频率较高的电子/电器设备中的

印制板。

小于100℃

覆铜箔环氧酚醛玻璃布层压板

特点

工作温度范围

类型

（2）印制电路板的散热设计

     目前采用的环氧玻璃板，导热性能差，为了提高其导热能力，通常在其上敷设导热系数大的金属（铜、铝）条或（铜、铝）板，而成为散热印制电路板，常用的散热印制电路板如图3.11-10所示。图（a）为在印制电路板上敷有导热金属条的导热条式散热印制板，图（b）为在印制电路板上敷有导热金属板的导热板式散热印制板；图（c）为导热板安装于印制电路板的上方，与元器件紧密接触。 

（a）                             （b）                       （c）

（3）印制电路板导轨的热设计

    插入式印制电路板往往需要导轨，使印制电路板能对准插座。导轨的主要作用是导向和导热。作为导热时，应保证导轨与印制板之间有足够的接触压力和接触面积，并应保证导轨与机箱壁有良好的热接触，导轨的热阻是选择导轨的主要依据，导轨的热阻越，且随高度的变化越小，导轨的性能越好。 

        有许多不同形式的电路板边缘导轨，常见的几种导热性能较好的导轨如图。它们的热阻值在不同海拔高度时的典型值如表。其中以楔型导轨的热阻最小，楔型导轨在军用加固设备中得到了广泛的应用。

9.11 机箱的热设计 

     机箱热设计的任务是在保证产品承受外界各种环境和机械应力的前提下，采用各种必要的散热手段，限度的把产品产生的热量散发出，满足产品内电子元器件规定的温度要求。常用机箱的形式主要有密封机箱、通风机箱和强迫风冷机箱，强迫风冷机箱又可分为箱内强迫通风和冷板式强迫风冷两种。四种机箱的特性及适用范围如表所示。

9.12 热设计实施要点

 

            限度的利用导热、自然对流和辐射等简单、可靠的冷却技术，并尽可能的缩短传热路径，增大换热（或导热）面积。

（1）冷却方法的选择实施要点

根据电子产品的功耗计算热流密度或体积功率密度；

根据设计条件和热流密度或体积功率密度选择合适的冷却方法；

冷却方法的选择顺序为：自然冷却、强迫风冷、液体冷却、蒸发冷却等。

（2）元器件的安装与布局实施要点

尽量减小元器件安装界面的热阻。元器件的排列与安装应有利于流体的对流；

元器件安装时，应充分考虑周围元器件的辐射换热的影响，对靠近热源的热敏感的元器件应采取热屏蔽措施；

A）半导体器件

通过采用大面积的光滑接触表面以及按要求指定导热衬垫或添加剂，尽量减小器件与其安装座之间的接触热阻；

置于远离高温元器件的地方；

在空气或冷却剂流动的方向采用垂直安置散热片的散热器。采用喷涂或涂覆的表面以改善辐射特性。

B） 电容器

置于远离热源的地方；

对其它热源采取绝热措施。

C） 电阻器

置于对流良好的位置；

使用机械的夹紧或封装材料以改善向散热器的热传递；

尽可能采用短引线。

 

D）变压器和电感器

为将这些器件的热传递出去，提供导热路；

置于对流冷却良好的位置；

适当处设置散热片。

（3）印制电路板的散热设计实施要点

印制板组装件应有适当的导热措施，如采用导热印制板（导热条、导热板、金属夹芯等）。

印制板导轨应采用热阻小的导轨，如U形导轨或楔形导轨等；

应控制印制板组装件之间的间距，一般应控制在19至21mm之间。

（4）机箱的散热设计实施要点

(a) 充分利用机箱结构作为散热体，通过传导、对流和辐射把机箱内部电子模块及电子元件产生的热量有效散发出去。

(b) 增大自然对流机箱表面的黑度，以增强辐射换热能力。

(c) 所有传导热量的接触面要求平整光滑，有较高的表面光洁度；

(d) 采用导热系数高的金属材料，考虑到材料的比重因素，推荐首先选用铝合金；

(e) 增加需要散热元件和模块的导热接触面面积；

(f) 对高低不平的导热面采用导热绝缘海绵橡胶板作为传热层；

(g) 缩短热传导的距离；

(h) 增大机箱的散热表面积；

(i) 增加导热接触面的压力；

(j) 非密封型机箱，在机箱上合理开通风口，加强对流、换热作用；

(k) 功耗较大时，考虑采用强迫风冷机箱或液体冷却机箱等。

9.13.热分析 

1.目的

     热分析，又称热模拟，是利用数学手段，在电

子产品的设计阶段获得温度分布的方法，它可以使

电子产品设计人员和可靠性设计人员在设计初期就

能发现产品的热缺陷，从而改进其设计，为提高产

品设计的合理性及可靠性提供有力保障。

2.方法

      热分析需建立电子产品温度场和流场的数学模型，并对

其求解，由于求解的复杂性，热分析大都采用软件来完

成。国外有很多公司已经开发了电产品热分析软件，并且

大多数已经商品化。应用软件进行热分析的基本步骤为：

（a）根据或设计要求建立热分析模型，确定边界条件；

（b）划分网格，进行计算，迭代直到收敛为止；

（c）后处理，以报表、图形或动画的形式观察温度场。

       热分析软件虽能较准确的获得温度场的分布，但在应

用过程中可能存在建模不合理，输入参数的不准确等原因

而导致热分析误差较大，不能满足工程要求。

9.14 热性能评价 

1.目的

      确定热设计与冷却系统的合理性与有效性。

 

2.评价的内容

(a) 粗测或检查产品中的各种元器件、尤其是关键元器件的表面温度及温度分布；

(b) 分析热设计所采用的冷却方式是否为优选的方案；

(c) 冷却系统、元器件、电路板的热设计符合性检查；

(d) 开展热性能评价试验，对热设计的效果进行检验，对冷却系统的适用性和有效性进行评价。

3.热性能的粗测 

 

    对电子产品的热性能进行“快速而不”的测

量，称为粗测。主要包括以下内容：

(a) 仔细检查产品内是否有过热的现象，如电子元器件的变色、变黑、起泡、变形、漆起皱或变脏等；

(b) 在额定环境条件和设备所处的功耗的工况下，测量产品中关键元器件的表面温度；

(c) 与热设计目标进行比较，明确合格项目，不合格项目，分析原因，初步分析热设计是否满足要求。如不满足要求，提出改进热设计的建议。

4.检查项目 

  检查分为对冷却系统、电子元器件及印制电路板

的热性能检查。(1) 冷却系统的检查内容（见表）

(2) 电子元器件检查的内容

     除在电路设计中检查元器件是否进行了降额设

计，对不同元器件还应按7节(2)条中的1）、2）、

3）、4）条的内容进行检查。

 

(3) 印制电路板检查的内容

(a) 是否将发热元器件与对热敏感的元器件进行热隔离?

(b) 对于多层印制电路板中采用金属芯的中间层，这些层与支承结构件或散热器之间是否有良好的导热通路?

(c) 是否采用保护性涂覆和封装，以降低印制电路板至散热器或结构件之间的热阻?

(d) 是否在必要的通路上采用较粗的导线?

9.15. 热性能的测量 

1、 目的

     对热设计的效果进行检验，对冷却系统的适用性和有效性进行评价。

 

2、 项目

     热性能测量的参数主要有温度及其分布，流量

（流速）和流体的压力损失。具体的测量项目有：

(a) 产品的输入功率；

(b) 产品的输出功率；

(c) 产品的外部环境温度；

(d) 产品内部的温度分布；

(e) 产品内部关键元器件和发热量较大元器件的温度；

(f) 温度敏感或可靠性要求高的元器件表面温度；

(g) 冷却剂入口的温度；

(h) 冷却剂出口的温度；

(i) 冷却剂入口处的静压（和动压）；

(j) 冷却剂出口处的静压；

(k) 冷却剂的流速（或流量）；

   以上测试项目可根据产品任务书的要求进行裁

剪。 

(3) 参数测量条件

      (a) 产品在进行热性能测量时，应使产品处于规定的环境条件和稳态功耗下工作；

      (b) 热性能测量时，应随时检查其电气工作性能并进行记录。

(4) 温度的测量

    温度的测试可采用接触式测温或非接触式测温方

法，接触式测温方法是采用将温度传感器直接贴到

被测表面上的方法，可采用体积小、灵敏度高的传

感器，如热电阻传感器和热电偶传感器等，温度传

感器与被测表面之间要保证良好的接触，传感器的

敷设尽量不影响其温度场。接触式测温系统一般精

度较高，可较准确的获得被测点的温度值。非接触

式测温一般采用红外热像仪，可获得被测目标的温

度分布情况，但被测目标不能有遮挡，对于封闭机

壳内的电子元器件是无能为力的。 

10.热设计报告 

    电子产品热设计之后，应提供热设计报

告，热设计报告应包括以下内容：

（a）热设计项目名称，工程编号；

（b）热设计的内容；

（c）热设计的方法；

（d）热设计主要技术资料、数据及其来源；

（e）热分析结果；

（f）热性能评价结果；

     a) 粗检报告

     b) 热性能检查报告

     c) 热性能测量报告

（g）结论（热设计需要改进时，应给出改进措施及最终结果）。