馮睿 吳超延 趙親成

【摘 要】熱設(shè)計(jì)在電子設(shè)備設(shè)計(jì)中具有重要作用，散熱效果的好壞直接影響設(shè)備的性能指標(biāo)和使用壽命。如何提高產(chǎn)品的散熱性能成為迫切需要解決的問題。本文就熱量傳遞方式、冷卻方式的選擇以及電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)方法等方面進(jìn)行了簡(jiǎn)要概述。

【關(guān)鍵詞】熱設(shè)計(jì)；熱量傳遞；散熱 0.引言

現(xiàn)代電子設(shè)備結(jié)構(gòu)越來(lái)越小，性能要求越來(lái)越高，不但支持多任務(wù)功能，而且具有更好的便攜功能，由此會(huì)產(chǎn)生更多的系統(tǒng)熱量，更大的熱流密度。大量的系統(tǒng)熱量在設(shè)備中聚集，會(huì)嚴(yán)重影響設(shè)備的性能指標(biāo)及使用壽命。在電子產(chǎn)品中，高溫對(duì)電子產(chǎn)品的影響包括，絕緣性能退化，元器件損壞，材料的熱老化，低熔點(diǎn)焊縫開裂及焊點(diǎn)脫落，從而導(dǎo)致整個(gè)產(chǎn)品的性能下降以至完全失效。因此在許多現(xiàn)代化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，特別是可靠性設(shè)計(jì)中，熱設(shè)計(jì)已占有越來(lái)越重要的地位。

1.熱設(shè)計(jì)概述

1.1 熱設(shè)計(jì)概述

熱設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一部分，它往往與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、內(nèi)部布局、電磁兼容要求等設(shè)計(jì)耦合在一起，必須綜合考慮才能使整個(gè)產(chǎn)品達(dá)到優(yōu)異的性能。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，通過對(duì)產(chǎn)品各組成部分的熱分析，確定所需散熱措施，以調(diào)節(jié)所有機(jī)械部件、電子器件和其它一切與熱有關(guān)的零部件的溫度，使其本身及其所處的工作環(huán)境的溫度都不超過標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范所規(guī)定的溫度范圍。對(duì)于電子產(chǎn)品，最高和最低允許溫度的計(jì)算應(yīng)以元器件的耐熱性能和應(yīng)力分析為基礎(chǔ)，并且與產(chǎn)品的可靠性要求以及分配給每一個(gè)元器件的失效率相一致。通過熱設(shè)計(jì)在滿足性能要求的前提下盡可能減少設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生的熱量，減少熱阻，選擇合理的冷卻方式，保證設(shè)備在散熱方面的可靠性。

1.2 熱量傳遞方式

熱量傳遞有三種方式：傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射。傳導(dǎo)：兩個(gè)良好接觸的物體之間的能量交換或一個(gè)物體內(nèi)由于溫度梯度引起的內(nèi)部能量交換。對(duì)流：流動(dòng)的流體（氣體或液體）與固體表面接觸，造成流體從固體表面將熱帶走的熱傳遞方式。根據(jù)引起流動(dòng)的原因可以分為自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流。輻射：物體通過電磁波來(lái)傳遞熱量的方式稱為熱輻射。熱輻射不需要依賴介質(zhì)傳遞，任何物體都存在熱輻射，物體不斷的向空間發(fā)出熱輻射，也不斷的吸收其他物體的熱輻射。

2.電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)方法

2.1冷卻方式的選擇

熱設(shè)計(jì)的核心是，在熱源至熱沉之間提供一條低熱阻通道。根據(jù)熱量的三種傳遞方式，散熱方式有傳導(dǎo)散熱、對(duì)流散熱和輻射散熱。其中，對(duì)流散熱又分為自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流。在電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)中，通常根據(jù)電子設(shè)備熱流密度〔表面熱功率系數(shù)和體積發(fā)熱功率系數(shù)〕進(jìn)行估算，來(lái)確定冷卻方法。

（1）當(dāng)電子設(shè)備的熱流密度小于0.08w/cm2，體積功率功率密度不超過0.18w/cm3時(shí)，一般采用自然對(duì)流冷卻。

（2）當(dāng)電子設(shè)備的熱流密度超過0.08w/cm2，體積功率密度超過0.18w/cm3時(shí)，需要外加動(dòng)力進(jìn)行強(qiáng)迫空氣冷卻或其它冷卻方法。

2.2自然對(duì)流散熱

首先，要合理布局元器件；在布置元器件時(shí)，應(yīng)將熱敏元器件放在靠近進(jìn)風(fēng)口的位置，而且位于功率大、發(fā)熱量大的元器件的上游，盡量遠(yuǎn)離高溫組件，以避免輻射的影響；將本身發(fā)熱而又耐熱的組件放在靠近出風(fēng)口的位置或頂部；大功率的元器件盡量分散布局，避免熱源集中；不同大小尺寸的元器件盡量均勻排列，使風(fēng)阻均布，風(fēng)量分布均勻。其次，要盡量減少接觸熱阻；可以通過在接觸表面涂一層導(dǎo)熱脂（膏），加一薄紫銅片或延展好的高導(dǎo)熱系數(shù)材料，提高界面間的接觸壓力，或提高接觸面的光潔度來(lái)減少接觸熱阻。再次，必要時(shí)使用散熱器散熱。對(duì)于個(gè)別熱流密度較高的元器件，如果自然對(duì)流時(shí)溫升過高，可以使用散熱器以增加散熱表面。

2.3強(qiáng)迫對(duì)流散熱

當(dāng)自然對(duì)流方式散熱不能滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)，就必須采用強(qiáng)迫對(duì)流的方式散熱。強(qiáng)迫對(duì)流的最簡(jiǎn)單方式是強(qiáng)迫風(fēng)冷，即使用風(fēng)機(jī)進(jìn)行散熱，采用風(fēng)機(jī)冷卻可以將散熱器和機(jī)箱的體積減小許多。風(fēng)機(jī)冷卻又可分為抽風(fēng)和吹風(fēng)兩種方式。吹風(fēng)時(shí)風(fēng)機(jī)出口附近氣流主要為紊流流動(dòng)，局部換熱強(qiáng)烈，宜用于發(fā)熱器件比較集中的情況，必須將風(fēng)機(jī)的主要出風(fēng)口對(duì)準(zhǔn)集中的發(fā)熱組件，吹風(fēng)有一定方向性，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的送風(fēng)量會(huì)不均勻；抽風(fēng)送風(fēng)均勻，適用于發(fā)熱器件分布比較均勻，風(fēng)道比較復(fù)雜的情況。風(fēng)機(jī)的選擇要與風(fēng)道的設(shè)計(jì)相匹配，同時(shí)還要考慮風(fēng)扇的噪音等因素。軸流風(fēng)扇在大風(fēng)量，低風(fēng)壓的區(qū)域噪音最小，而離心風(fēng)機(jī)在高風(fēng)壓，低風(fēng)量的區(qū)域噪音最小，要避免風(fēng)扇工作在高噪音區(qū)。對(duì)于內(nèi)部空間較小，或由于其它原因而不能采用風(fēng)冷的情況，如果有可能，還可以使用其它流體進(jìn)行冷卻，如水冷或其它介質(zhì)。

3.結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，對(duì)于電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)人員通過分析整個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量多少，來(lái)確定系統(tǒng)的散熱方式，在自然散熱不能滿足散熱要求時(shí)，要采用強(qiáng)制散熱方式，以達(dá)到設(shè)備的散熱效果最佳。

【參考文獻(xiàn)】

[1]趙惇殳編著.電子設(shè)備熱控制技術(shù).西安：西安電子科技大學(xué)出版社.

[2]電子設(shè)備可靠性熱設(shè)計(jì)手冊(cè)GJB/Z 27-92.北京：國(guó)防科工委軍標(biāo)發(fā)行部出版.