【正文】 電子設(shè)備熱控制技術(shù) 趙惇殳 西安電子科技大學(xué) 2022年 5月深圳 電子設(shè)備熱控制 (設(shè)計(jì) )技術(shù) 熱設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ) 熱設(shè)計(jì)基本原理 液體冷卻 強(qiáng)迫風(fēng)冷 自然冷卻 蒸發(fā)冷卻 熱電致冷 熱管傳熱 熱測試技術(shù) 低熱阻及高效熱控制技術(shù) 電子設(shè)備熱 (控制 )設(shè)計(jì)參考資料 《 電子設(shè)備熱控制與分析 》 《 電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理 》 《 GJB/Z27電子設(shè)備可靠性熱設(shè)計(jì) 》 《 微電子設(shè)備的換熱 》 《 電子設(shè)備冷卻技術(shù) 》 《 Thermal putation of Electronic Equipment》 《 電子機(jī)器的熱對(duì)策 》 （日文） 電子設(shè)備熱控制 (設(shè)計(jì) )目的 組件和設(shè)備的熱流密度增長趨勢 為芯片級(jí)、元件級(jí)、組件級(jí)及系統(tǒng)級(jí)提供良好的熱環(huán)境 保證芯片級(jí)、元件級(jí)、組件級(jí)及系統(tǒng)級(jí)的熱可靠性 防止電子元器件的熱失效 芯片與器件的熱流密度 103 102 10 1 1 10 100 面積 /cm2 功耗/W 多芯片模塊 芯片 模塊 電子設(shè)備熱環(huán)境 環(huán)境溫度和壓力（或高度）的極限值及變化率 太陽或周圍物體的輻射值 地面設(shè)備：周圍空氣溫度、濕度、氣壓、空氣流 速，周圍物體形狀和黑度，日光照射 冷卻劑種類 可利用的熱沉 機(jī)載設(shè)備：飛行高度、飛行速度、安裝位置，有 無空調(diào)艙，周圍空氣溫度、速度等 艙船設(shè)備：周圍空氣溫度、濕度，有無淡水，艙 室溫度，日照情況等 熱控制 (設(shè)計(jì) )基本要求 滿足可靠性要求 (基本失效率 ,溫度 T,和電應(yīng)力比 s,GJB/Z299) 滿足熱環(huán)境的要求 與維修性設(shè)計(jì)相結(jié)合，易維修 與電路設(shè)計(jì)同時(shí)進(jìn)行 滿足對(duì)冷卻系統(tǒng)的限制要求 根據(jù) 、 M T B Fta yt經(jīng)濟(jì)性、安全性等，選擇冷卻方法 尺寸、重量、冷卻所需功、 熱控制 (設(shè)計(jì) )基本原則 保證良好的冷卻功能 (可用性與微氣候 ) 保證可靠性 良好的經(jīng)濟(jì)性 (性價(jià)比 ) 良好的維修性 有良好的適應(yīng)性 (相容性 ) 冷卻方法選擇（ 1） 102 4 10 2 4 6 2 2 4 103 4 6 8 2 4 6 8 2 2 4 6 8 101 100 10 102 2 1 溫升℃ 表面熱流密度 W/cm2 冷卻方法選擇（ 2） 空氣 空氣 介質(zhì)液體 水 介質(zhì)液體 水 介質(zhì)液體 自然散熱 強(qiáng)迫對(duì)流 蒸發(fā)冷卻 1163 11630 傳熱系數(shù) W/m2℃ 空氣流速 3~15m/S 流體流速 ~電子設(shè)備熱控制 (設(shè)計(jì) )理論基礎(chǔ) 傳熱學(xué) ( 傳熱計(jì)算 ,計(jì)算 傳熱學(xué) ) 流體力學(xué) ( 阻力計(jì)算 ) 輻射 對(duì)流 導(dǎo)熱 )( )(21 wtt wwkL ??? ?)( )( wttAh fwc ???? ? ? ?? ? )( 41 0 041 0 0 21 wA TT ??? ? 導(dǎo) 熱 單層平壁導(dǎo)熱 導(dǎo)熱基本定律 溫度場 )( wkA nt?????)( )t(t w2w1 wkA?? ?)( 21 wCR kAttt ww ??? ?? ?導(dǎo)熱熱阻 多層平壁導(dǎo)熱 單層圓筒壁導(dǎo)熱 )( )(ln22112wttrrklww ????)( 111 wni iiiwiwAktt??????? )tt( 1wiw1ln1211?????ni iii rrkl??多層圓筒壁導(dǎo)熱 接觸熱阻的影響因素 接觸表面接觸點(diǎn)的數(shù)量、形狀、大小及分布規(guī)律 接觸表面的幾何形狀（波紋度和粗糙度） 接觸表面的硬度 間隙中介質(zhì)種類（真空、液體、氣體等） 非接觸間隙的平均厚度 接觸表面的壓力大小 接觸表面的氧化程度和清潔度 接觸材料的導(dǎo)熱系數(shù) 減小接觸熱阻的方法 加一薄紫銅片或延展好的高導(dǎo)熱系數(shù)材料 加低熔點(diǎn)合金（銦合金） 提高界面間的接觸壓力 ? ?2200 cmN?在接觸表面涂一薄層導(dǎo)熱脂（膏） 接觸熱阻與表面粗糙度 接觸壓力的關(guān)系 接觸熱阻/（℃W1 cm2 ） 1 2 3 4 5 0 接觸壓力 /MPa 表面粗糙度 /μm 鋼 鋁 導(dǎo)熱的數(shù)值分析 有限元素法 (變分原理 ) 有限差分法 (溫度連續(xù)分布問題轉(zhuǎn)化為離散點(diǎn)的問題 ,用差商去代替微商 ) 有限差分法求解步驟 （ 2）討論與該差分格式對(duì)應(yīng)的線性代數(shù)方程 解的唯一性 （ 3）求解代數(shù)方程組，得到區(qū)域內(nèi)的溫度分布 (確立差分格式是關(guān)鍵 ,通過區(qū)域離散化 ,建立 區(qū)域差分方程和邊界條件的差分形式 ,構(gòu)建差分格式 ,求解線性代數(shù)方程 ,得到各節(jié)點(diǎn)的溫度 ,節(jié)點(diǎn)數(shù)越多 ,精度越高 ) （ 1）構(gòu)成差分格式 有限元素法求解步驟 （ 2）寫出單元的泛函表達(dá)式 （ 3）構(gòu)造每個(gè)單元內(nèi)的插值函數(shù) （ 1）區(qū)域離散化 （ 5）構(gòu)成代數(shù)方程組 （ 6）求解代數(shù)方程組 （ 4）求泛函極值條件的代數(shù)方程表達(dá)式 對(duì)流換熱影響因素 流體流動(dòng)發(fā)生的原因 (自然對(duì)流與強(qiáng)迫 對(duì)流 ) 流體流動(dòng)的狀態(tài) (層流與紊亂流 ) 換熱面的幾何形狀和位置 (平板 ,圓管 ,肋面與橫放 ,豎放 ,水平或垂直等 ) 流體的物理性質(zhì) (導(dǎo)熱系數(shù) ,比熱 ,密度 ,黏度等 ) 對(duì)流換熱系數(shù) )( fwc ttAh ???對(duì)流換熱現(xiàn)象 換熱系數(shù) 空氣自然對(duì)流 3~10 氣體強(qiáng)迫對(duì)流 20~100 水自然對(duì)流 200~1000 水強(qiáng)迫對(duì)流 1000~15000 水沸騰 2022~25000 高壓水蒸汽強(qiáng)迫對(duì)流 500~3500 水蒸汽凝結(jié) 5000~15000 對(duì)流換熱計(jì)算 準(zhǔn)則數(shù) 名稱 物理意義 換熱強(qiáng)弱努謝爾特?cái)?shù)） ( k Dhu cN ?粘性力慣 性力 ( 雷諾數(shù)）?wDeR ?? ? 22 3 ( 粘性力 慣性力浮升力格拉曉夫數(shù)） ??? ?? t g DrG流體特性參數(shù)普朗特?cái)?shù)） ( ???rPU feDDHL 4?、定性溫度： 特征尺寸 fm tt 、? ?nmrrum PGcN ??)( fwcc ttAh ???準(zhǔn)則方程 ? ?rrPG豎放平 板柱體 水平板 (熱面朝上 ) 水平板 (熱面朝下 ) ＜ 109 ＞ 109 ＜ 2 107 ＞ 2 107 3 105 ~ 3 1010 流態(tài) 層流 紊流 層流 紊流 層流 C n 1/4 1/3 1/4 1/3 1/4 特征尺寸 高度 正方形取邊長 圓盤取 狹長條取短邊 矩形 L=2ab/(a+b) 自然對(duì)流換熱計(jì)算 管內(nèi)流動(dòng) 2 rfefuf PRN ?)( fwcc ttAh ???? ? ? ? wfuuldrfefuf PRN ?? ?fwcc ttAh ???定性溫度 : 流體平均溫度 特征尺寸 : 管子內(nèi)徑或當(dāng)量直徑 ? ?410?eR紊流 準(zhǔn)則方程 層流 準(zhǔn)則方程 注 :上述公式或適用于直管、長管 ? ?50?dl否則要乘相應(yīng)修正系數(shù) 強(qiáng)迫對(duì)流換熱 ? ?39。39。39。 fff ttt ??? ?2300?eR 3 fuf RN ? efuf RN ?? ?fwc ttAh ???定性溫度 : 特征尺寸 : 流體流動(dòng)方向板或柱體的長度 L ? ?510?eR紊流 準(zhǔn)則方程 層流 準(zhǔn)則方程 強(qiáng)迫對(duì)流換熱計(jì)算 ? ?39。39。39。fff ttt ??沿平板流動(dòng)（或沿柱體軸線流動(dòng)） ? ?510?eR對(duì)流換熱的數(shù)值計(jì)算 連續(xù)方程 能量方程 動(dòng)量方程 22202 2 2( ) ( ) ( )u v w Sx y z x y z?? ? ? ? ? ?? ????? ? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? ?????? ? ? ? ? ??? ?? —— 流體動(dòng)力粘度； —— 流體運(yùn)動(dòng)粘度； —— 流體定壓比熱； —— 源項(xiàng)； ?vpC0Sk ?tuvw??????pC?????0SrSxp Sx????yp Sy????zp Sz????z方向動(dòng)量方程 y方向動(dòng)量方程 x方向動(dòng)量方程 能量方程 0 1 連續(xù)方程 0