电子产品的热设计基础

观点 / Champion   

这是瓦特产品设计公众号的第 70 篇原创内容

热设计就是根据电子元器件的热特性和传热学的原理，采取各种结构措施控制电子设备的工作温度，使其在允许的温度范围之内。

那么为什么要进行热设计呢？

因为高温对电子产品有影响：

· 绝缘性能退化；

· 元器件损坏；

· 材料的热老化；

· 低熔点焊缝开裂、焊点脱落。

温度对元器件有影响：

· 一般而言，温度升高电阻阻值降低；

· 高温会降低电容器的使用寿命；

· 高温会使变压器、扼流圈绝缘材料的性能下降；

· 温度过高还会造成焊点合金结构的变化，焊点变脆，机械强度降低；

· 结温的升高会使晶体管的电流放大倍数迅速增加，导致集电极电流增加，又使结温进一步升高，最终导致元件失效。

下面我们再来看下热设计的目的：

控制产品内部所有电子元器件的温度，使其在所处的工作环境条件下不超过标准及规范所规定的最高温度。最高允许温度的计算应以元器件的应力分析为基础，并且与产品的可靠性要求以及分配给每一个元器件的失效率相一致。

热设计的三个层次：

元件级的热设计：

主要研究芯片内部结构及其封装形式对传热的影响，计算及分析芯片的温度分布。对材料、结构进行热设计，降低热阻，增加传热途径，提高传热效果，达到降低温度的目的。主要由元器件的生产厂家完成。

电路板级的热设计：

主要研究电路板的结构、元器件布局对元件温度的影响以及电子设备多块电路板的温度分布，计算电子元件的结点温度，进行可靠性预计。对电路板结构及其元器件进行合理安排，在电路板及其所在箱体内采取热控制措施，达到降低温度的目的。主要由电子设备设计人员及可靠性设计人员完成。

环境级的热设计：

主要是研究电子设备所处环境的温度对其的影响，环境温度是电路板级的热分析的重要边界条件。采取措施控制环境温度，使电子设备在适宜的温度环境下工作。可由产品开发人员或用户完成。

热设计的基本概念：

热特性：

设备或元器件温升随热环境变化的特性，包括温度、压力和流量分布特征。

导热系数：

表征材料导热性能的参数指标，它表明单位时间、单位面积、负的温度梯度下的导热量，单位为W/m.K或W/m.℃。

对流换热系数：

反映两种介质间对流换热过程的强弱，表明当流体与固体壁面的温差为1 ℃时，在单位时间通过单位固体换热面积的热量，单位为W/m2.K或W/m2.℃。

热阻：

热量在热流路径上遇到的阻力，反映介质或介质间的传热能力的大小，表明了1W热量所引起的温升大小，单位为℃/W或K/W，可分为导热热阻，对流热阻，辐射热阻及接触热阻四类。

温度稳定：

当设备处于工作状态时，设备中发热元器件表面温度每小时变化波动范围在±1℃内时，称温度稳定。

设备外部环境温度：

设备达到稳定温度时距离设备各主要表面几何中心80mm处空气温度按各表面积的加权平均值。

机柜/箱表面温度：

设备达到稳定温度时各主要外表面几何中心点上温度的平均值。

热点：

元器件、散热器和冷板的各个局部表面温度最高的位置。热点器件指单板上温度最高和较高的器件。

温升：

元器件表面温度与设备外部环境温度的差值。用符号Δt表示。

温度与温升的区别：

温度是量化介质热性能的一个指标，是一个绝对概念；温升是指介质自身或介质间温度的变化范围，它总是相对于不同时刻或同一时刻的另一介质，是一个相对概念。

风道的局部阻力与沿程阻力：

局部阻力指由于风道的截面积发生变化而引起的压力损失；沿程阻力指由于流体粘性而引起的压力损失。

表征温度的方式：

表征介质温度的方式有三种：摄氏温度，绝对温度，华氏温度，它们的换算关系如下：TK＝273＋Tc, Tc=5(TF-32)/9

层流与紊流(湍流)：

层流指流体呈有规则的、有序的流动，换热系数小，流阻小；紊流指流体呈无规则、相互混杂的流动，换热系数大，流阻大。根据流动的雷诺数大小来判断。下图分别为层流和紊流示意图。

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