導(dǎo)語(yǔ)：電子產(chǎn)品中的器件將電能轉(zhuǎn)化為熱能，使溫度上升。雖然造成電子產(chǎn)品故障的原因很多,但高溫是其中最主要的因素(其它依次為振動(dòng)、潮濕、灰塵等)。溫度對(duì)電子產(chǎn)品可靠性的影響高達(dá)60%,溫度降低,產(chǎn)品的可靠性及壽命就會(huì)增加，一個(gè)粗略的估算是溫度每上升10℃，壽命降低一半。必須加快散熱速度,有效地控制產(chǎn)品的工作溫度,使其不超過(guò)極限范圍,并留足夠的余量，以提高產(chǎn)品的可靠性并延長(zhǎng)壽命。

在我們產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中時(shí)時(shí)刻刻都要注意溫度的影響，比如選擇電阻額定功率、電感額定電流、三極管的集電極耗散功率等等，歸根結(jié)底都是為了控制溫度對(duì)器件的影響。對(duì)實(shí)際工作溫度難以準(zhǔn)確把握的，我們常常還要通過(guò)溫度測(cè)量來(lái)保證設(shè)計(jì)的可靠性。

一、熱設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)

1.熱量傳遞的三種方式

熱量的傳遞有導(dǎo)熱，對(duì)流換熱及輻射換熱三種方式。在終端設(shè)備散熱過(guò)程中，這三種方式都有發(fā)生。三種傳熱方式傳遞的熱量分別由以下公式計(jì)算：

Fourier導(dǎo)熱公式：Q=λA(Th-Tc )/δ

Newton對(duì)流換熱公式：Q=αA(Tw-Tair)

輻射4次方定律：Q=εσA(Th^4-Tc^4)

其中λ、α、ε分別為導(dǎo)熱系數(shù)，對(duì)流換熱系數(shù)及表面的發(fā)射率，σ為波爾茲曼常數(shù)，A是換熱面積。

·導(dǎo)熱

物體各部分之間不發(fā)生相對(duì)位移時(shí)，依靠分子、原子及自由電子等微觀例子的熱運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的熱量傳遞稱為導(dǎo)熱。

導(dǎo)熱過(guò)程中傳遞的熱量按照Fourier導(dǎo)熱定律計(jì)算：Q=λA(Th-Tc)/δ

其中： A 為與熱量傳遞方向垂直的面積，單位為m2;Th 與Tc 分別為高溫與低溫面的溫度，δ為兩個(gè)面之間的距離，單位為m。λ為材料的導(dǎo)熱系數(shù)，單位為W/(m*℃），表示了該材料導(dǎo)熱能力的大小。

一般說(shuō)，固體的導(dǎo)熱系數(shù)大于液體，液體的大于氣體。例如常溫下純銅的導(dǎo)熱系數(shù)高達(dá)400W/(m*℃），純鋁的導(dǎo)熱系數(shù)為236W/(m*℃），水的導(dǎo)熱系數(shù)為0.6W/(m*℃），而空氣僅0.025W/(m*℃）左右。鋁的導(dǎo)熱系數(shù)高且密度低，所以散熱器基本都采用鋁合金加工，但在一些大功率芯片散熱中，為了提升散熱性能，常采用鋁散熱器嵌銅塊或者銅散熱器。

·對(duì)流換熱

對(duì)流換熱是指運(yùn)動(dòng)著的流體流經(jīng)溫度與之不同的固體表面時(shí)與固體表面之間發(fā)生的熱量交換過(guò)程。根據(jù)流動(dòng)的起因不同，對(duì)流換熱可以分為強(qiáng)制對(duì)流換熱和自然對(duì)流換熱兩類。前者是由于泵、風(fēng)機(jī)或其他外部動(dòng)力源所造成的，而后者通常是由于流體自身溫度場(chǎng)的不均勻性造成不均勻的密度場(chǎng)，由此產(chǎn)生的浮升力成為運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力。

自然對(duì)流散熱分為大空間自然對(duì)流（例如設(shè)備外殼和外界空氣間的換熱）和有限空間自然對(duì)流（例如設(shè)備內(nèi)的單板和終端內(nèi)的空氣）

對(duì)流換熱的熱量按照牛頓冷卻定律計(jì)算：Q=hA(Tw-Tair)

其中：A 為與熱量傳遞方向垂直的面積，單位為m2;Th 與Tc分別為固體壁面與流體的溫度，h是對(duì)流換熱系數(shù)，自然對(duì)流時(shí)換熱系數(shù)在1～10W/(℃*m2)量級(jí)，實(shí)際應(yīng)用時(shí)一般不會(huì)超過(guò)3～5W/(℃*m2)；強(qiáng)制對(duì)流時(shí)換熱系數(shù)在10～100W/(℃*m2)量級(jí)，實(shí)際應(yīng)用時(shí)一般不會(huì)超過(guò)30W/(℃*m2）。

·輻射換熱

輻射是通過(guò)電磁波來(lái)傳遞能量的過(guò)程，熱輻射是由于物體的溫度高于絕對(duì)零度時(shí)發(fā)出電磁波的過(guò)程，在熱輻射的同時(shí)也會(huì)不斷吸收其它物體輻射出的電磁波，輻射與吸收過(guò)程的綜合結(jié)果就造成了以輻射方式進(jìn)行的物體間的熱量傳遞——輻射換熱。物體的輻射力計(jì)算公式為：E＝ εσT^4

其中，ε為物體表面黑度（發(fā)射率），σ為波爾茲曼常數(shù)，T為絕對(duì)溫度。由于輻射力與溫度的四次方成正比，在溫度較高時(shí)輻射換熱的影響不能忽略，溫度較低時(shí)輻射換熱在三種傳熱方式中所占比例較小。

電磁波輻射到物體表面，和可見(jiàn)光一樣也能發(fā)生反射、吸收和透射現(xiàn)象。固體由于分子排列緊密，一般無(wú)透射，且吸收和反射都在表面進(jìn)行，發(fā)射率越大的物體吸收率也會(huì)越高。

對(duì)輻射換熱一個(gè)錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)是認(rèn)為黑色可以強(qiáng)化熱輻射，比如散熱片涂成黑色的。實(shí)際上物體溫度低于1800℃時(shí)，有意義的熱輻射波長(zhǎng)位于0.38~100μm之間，且大部分能量位于紅外波段0.76~20μm范圍內(nèi)，在可見(jiàn)光波段內(nèi)，熱輻射能量比重并不大。顏色只與可見(jiàn)光的輻射和吸收相關(guān)，與紅外輻射無(wú)關(guān)，隨著溫度的增加，輻射波長(zhǎng)變短，太陽(yáng)的輻射能量主要集中在可見(jiàn)光波段，夏天人們穿淺色的衣服降低太陽(yáng)光中的可見(jiàn)光輻射吸收。所以對(duì)射線的吸收和反射有重大影響的是物體的表面狀況，而不是它的顏色。

2.熱阻的概念

對(duì)導(dǎo)熱和對(duì)流換熱的公式進(jìn)行變換：

Fourier導(dǎo)熱公式：

Q=λA(Th-Tc)/δ

Q=(Th－Tc)/[δ/(λA)]

Newton對(duì)流換熱公式：

Q=αA(Tw-Tair)

Q=(Tw-Tair)/(1/αA)

將上式中的分母可以用電學(xué)中的電阻概念來(lái)理解成導(dǎo)熱過(guò)程的阻力，稱為熱阻（thermalresistance），單位為℃/W,其物理意義就是傳遞1W的熱量需要多少度溫差。在熱設(shè)計(jì)中將熱阻標(biāo)記為R或θ。δ/(λA)是導(dǎo)熱熱阻，1/αA是對(duì)流換熱熱阻。

兩個(gè)名義上相接觸的固體表面，實(shí)際上接觸僅發(fā)生在一些離散的面積元上，如右圖所示，在未接觸的界面之間的間隙中常充滿了空氣，熱量將以導(dǎo)熱和輻射的方式穿過(guò)該間隙層，與理想中真正完全接觸相比，這種附加的熱傳遞阻力稱為接觸熱阻。降低接觸熱阻的方法主要是增加接觸壓力和增加界面材料（如硅脂）填充界面間的空氣。在涉及熱傳導(dǎo)時(shí)，一定不能忽視接觸熱阻的影響，需要根據(jù)應(yīng)用情況選擇合適的導(dǎo)熱界面材料，如導(dǎo)熱脂、導(dǎo)熱膜、導(dǎo)熱墊等。

二、器件散熱

1.器件熱阻的概念

θja熱阻參數(shù)是封裝的品質(zhì)度量(FigureofMerit)，并非Application-specific，θja的正確的應(yīng)用只能是芯片封裝的熱性能品質(zhì)參數(shù)（用于性能好壞等級(jí)的比較），不能應(yīng)用于實(shí)際測(cè)試/分析中的結(jié)溫預(yù)計(jì)分析。

從90年代起，相對(duì)于θja人們更需要對(duì)實(shí)際工程師預(yù)計(jì)芯片溫度有價(jià)值的熱參數(shù)。適應(yīng)此要求而出現(xiàn)三個(gè)新參數(shù)：θjb、ψjt和ψjc。

ψjb可適當(dāng)?shù)倪\(yùn)用于熱分析中的結(jié)溫分析。

ψjt可適當(dāng)運(yùn)用于實(shí)際產(chǎn)品熱測(cè)試中的結(jié)溫預(yù)計(jì)。

較多的元器件會(huì)給出θja和θjc的值，θjc是結(jié)到封裝表面離結(jié)最近點(diǎn)的熱阻值。較常用于實(shí)際計(jì)算。

2.單板器件的散熱路徑

3.器件結(jié)溫的計(jì)算

熱設(shè)計(jì)的最終目的是確保電子設(shè)備中器件的最大工作結(jié)溫低于其最大允許的結(jié)溫Tjmax。最大工作結(jié)溫是指系統(tǒng)處于散熱最惡劣的配置、運(yùn)行于允許的最高環(huán)境溫度時(shí)的結(jié)溫。

在實(shí)際使用中，我們通常測(cè)量的是器件的殼溫，殼溫和結(jié)溫的轉(zhuǎn)換關(guān)系為：Tj= Tc + P ·θjc

其中 Tj為結(jié)溫，Tc為殼溫，P為通過(guò)器件表面散掉的熱耗，θjc為結(jié)殼熱阻。

三、系統(tǒng)散熱

1.散熱方式

選擇冷卻方法時(shí)，主要考慮下列因素：設(shè)備的熱流密度、體積功率密度及溫升等。一般地說(shuō)，熱流密度小于0.08W/cm2，采用自然冷卻方式；熱流密度大于0.08W/cm2或體積功率密度大于0.18W/cm3，采用強(qiáng)迫風(fēng)冷的方式。具體的系統(tǒng)需要具體對(duì)待。

上述方法的條件是假設(shè)熱量均勻分布在整個(gè)空間里，且熱量能夠充分地傳導(dǎo)到設(shè)備表面，是理想化模型，實(shí)際應(yīng)用中需根據(jù)系統(tǒng)溫度比較薄弱的環(huán)節(jié)來(lái)選擇散熱方式，通常在設(shè)計(jì)階段會(huì)進(jìn)行一些驗(yàn)證來(lái)確保方案的可行性，在測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)溫度過(guò)高還需要對(duì)散熱方案進(jìn)行調(diào)整。

自然冷卻時(shí)，設(shè)備內(nèi)部的主要傳熱方式是熱傳導(dǎo)，應(yīng)盡量減小發(fā)熱器件到機(jī)殼的熱阻值，比如在主芯片下面與殼體之間加導(dǎo)熱硅膠墊。采用隔熱板時(shí)，盡量選擇黑度較低，表面光潔度較高的材料。

強(qiáng)迫風(fēng)冷時(shí)，設(shè)備的散熱主要是依靠對(duì)流換熱，需要增加風(fēng)機(jī)，在電子設(shè)備散熱設(shè)計(jì)中用到的風(fēng)機(jī)可以分為三類：軸流式風(fēng)機(jī)、離心式風(fēng)機(jī)和混流式風(fēng)機(jī)，通訊設(shè)備一般用軸流式風(fēng)機(jī)，這種風(fēng)機(jī)的進(jìn)風(fēng)口與出風(fēng)口平行，風(fēng)量大、風(fēng)壓小、噪音小、種類多、價(jià)格便宜。

實(shí)際選擇時(shí)交換機(jī)主要是考慮開(kāi)關(guān)電源板和主芯片的溫度，有條件的情況下可在設(shè)計(jì)時(shí)先進(jìn)行驗(yàn)證。

2、風(fēng)道設(shè)計(jì)

風(fēng)道設(shè)計(jì)是熱設(shè)計(jì)中的重要工作，以交換機(jī)為例，風(fēng)道由外殼、單板（元器件）、模塊、進(jìn)/出風(fēng)口，隔熱板、擋風(fēng)板等組成，依靠結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)；

根據(jù)散熱方式的不同，風(fēng)道可以分為自然散熱風(fēng)道和強(qiáng)迫散熱風(fēng)道。

通過(guò)風(fēng)道設(shè)計(jì)，要達(dá)到的目標(biāo)是：降低系統(tǒng)的壓力損失，保證有足夠的空氣流量通過(guò)發(fā)熱源；并保證流過(guò)關(guān)鍵熱源的風(fēng)速；防止風(fēng)道中產(chǎn)生空氣回流；防止空氣短路；防止系統(tǒng)中發(fā)熱部件的相互影響等；

四、輔助散熱元件

1、散熱器

常用的散熱器有散熱片、熱管散熱器、蒸汽腔散熱器。

散熱片的作用是增大發(fā)熱器件與空氣的接觸面積，減小器件與空氣之間的熱阻值。

熱管的作用是將熱量從溫度較高的地方（熱端）高效率的搬移到冷端，輔助散熱。

蒸汽腔散熱器是在單個(gè)器件功耗大、散熱器可用高度嚴(yán)重受限，相應(yīng)的給散熱器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用帶來(lái)極大的挑戰(zhàn)的情況下產(chǎn)生的一種高效散熱器。Intel、AMD等CPU廠商推出的性能優(yōu)化雙核、四核等服務(wù)器CPU功耗都已達(dá)到120W甚至更高的水平；對(duì)散熱的要求也更高了。

2.導(dǎo)熱介質(zhì)

散熱器與器件之間存在間隙導(dǎo)致散熱器的效果大打折扣，在散熱器與功率器件之間填充導(dǎo)熱介質(zhì)可很大程度改善散熱效果。

常用的導(dǎo)熱介質(zhì)有金屬類的，比如Sn/Pb焊料、導(dǎo)熱硅脂類、導(dǎo)熱硅膠墊、相變導(dǎo)熱材料、導(dǎo)熱膠水、散熱膏等等。

五、熱測(cè)試方法和原則

1、測(cè)試目的

溫度測(cè)試的目的是對(duì)熱設(shè)計(jì)的效果進(jìn)行檢驗(yàn)，對(duì)冷卻系統(tǒng)的適用性和有效性進(jìn)行評(píng)價(jià)，對(duì)溫度敏感元器件、集中發(fā)熱元器件、整機(jī)系統(tǒng)的熱特性參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，為熱設(shè)計(jì)提供技術(shù)數(shù)據(jù)。

溫度是影響電子設(shè)備工作可靠性的重要條件。實(shí)踐表明，電子元器件的失效率隨溫度的增加呈指數(shù)型增加，溫度每升高10℃，壽命約降低一倍。因此，應(yīng)通過(guò)對(duì)設(shè)備中的關(guān)鍵部位進(jìn)行溫度測(cè)量，了解元器件或設(shè)備熱應(yīng)力情況。

2、測(cè)試方案

在進(jìn)行系統(tǒng)熱測(cè)試前，制定完備的熱測(cè)試方案可減少測(cè)試的重復(fù)次數(shù)。一個(gè)好的測(cè)試方案，應(yīng)該能使他人根據(jù)測(cè)試的結(jié)果，分析出系統(tǒng)熱設(shè)計(jì)方案的優(yōu)劣及熱設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題。

測(cè)試方案的制定需要注意以下幾個(gè)方面：

測(cè)試環(huán)境：系統(tǒng)的熱特性是與周圍環(huán)境密切相關(guān)的，測(cè)試時(shí)系統(tǒng)配置應(yīng)與實(shí)際使用時(shí)散熱最惡劣的配置一致，甚至更惡劣。

測(cè)試數(shù)據(jù)的記錄，應(yīng)在溫度穩(wěn)定之后進(jìn)行。

可能需要測(cè)量溫度的位置：

·系統(tǒng)的進(jìn)、出風(fēng)口溫度。

·系統(tǒng)中可能存在的最高空氣溫度（一般靠近發(fā)熱量大的器件或風(fēng)速小、有回流的地方）。

·熱耗較大的分立器件、集成電路的表面溫度。

·熱敏感器件的溫度（比如電解電容，其壽命通常為整個(gè)電路板壽命的瓶頸，受溫度影響又很明顯，一般需要通過(guò)溫度測(cè)量對(duì)其壽命進(jìn)行估算。）

·如果系統(tǒng)中存在局部熱流密度集中的區(qū)域，需測(cè)試該處PCB的溫度。對(duì)成型的電路模塊（比如開(kāi)關(guān)電源板），也需要進(jìn)行溫度的測(cè)試判斷在我們的系統(tǒng)中運(yùn)行環(huán)境是否滿足其要求。

3、傳感器的安裝

測(cè)試器件表面溫度時(shí)傳感器的安裝位置應(yīng)盡量選取靠近結(jié)的地方。

通常選擇最靠近發(fā)熱部位的表面進(jìn)行測(cè)量。對(duì)于圓柱形器件，如電解電容，通常測(cè)量頂部；對(duì)于半導(dǎo)體器件，主要根據(jù)器件資料上所提供的熱阻值來(lái)確定測(cè)量位置，如果沒(méi)有提供任何熱阻，就按照字母順序進(jìn)行：

六、單板布局原則

1、器件布局基本原則

·發(fā)熱器件應(yīng)盡可能分散布置，使得單板表面熱耗均勻，有利于散熱。

·不要使熱敏感器件或功耗大的器件彼此靠近放置，使得熱敏感器件遠(yuǎn)離高溫發(fā)熱器件，常見(jiàn)的熱敏感的器件包括晶振、內(nèi)存、電解電容、CPU等。

·條件允許情況下把熱敏感元器件安排在較冷區(qū)域。

2、強(qiáng)制風(fēng)冷系統(tǒng)布局原則

·根據(jù)風(fēng)道情況，流速大的位置有利于散熱。

·散熱片或一些截面積較大的器件會(huì)阻礙空氣流通，產(chǎn)生繞流，要注意散熱片的方向，多個(gè)帶散熱片的器件并排放置且較緊密時(shí)注意位置錯(cuò)開(kāi)，空氣流通方向確定的情況下，高大器件的后面避免放置發(fā)熱量較大的器件等。

·注意風(fēng)阻均勻化，避免沿風(fēng)道方向有較大的空域。

·出風(fēng)口位置比進(jìn)風(fēng)口位置溫度要高，布局時(shí)需要考慮風(fēng)扇安裝位置。

3、散熱過(guò)孔及散熱銅皮的運(yùn)用

把器件的熱量傳遞到PCB內(nèi)部，減少器件向PCB的傳熱熱阻，可采取的強(qiáng)化散熱措施是：

·在單板上打過(guò)孔。

·在單板表面鋪銅皮 。

散熱過(guò)孔主要作用是增強(qiáng)層與層之間的熱連接以及增加法向上的導(dǎo)熱能力。位于焊盤下面的散熱過(guò)孔起到的作用尤為關(guān)鍵。

增加過(guò)孔的數(shù)量可以降低器件與PCB的熱阻，但是過(guò)孔達(dá)到一定量后再增加過(guò)孔數(shù)量效果就不會(huì)很明顯，另外過(guò)孔設(shè)計(jì)也受到PCB工藝的限制。

有測(cè)試和分析研究表明散熱最好的過(guò)孔方案為孔徑10～12mil，孔中心間距30～40mil，也可以根據(jù)器件功耗水平和溫度控制要求對(duì)過(guò)孔進(jìn)行設(shè)計(jì)。

散熱銅皮的作用是把局部傳入PCB的熱量擴(kuò)展到更大的范圍內(nèi)，散熱銅皮對(duì)底部有散熱焊盤的器件作用較大。

散熱銅皮和散熱焊盤可以結(jié)合使用來(lái)提高散熱效果。

總結(jié)

散熱設(shè)計(jì)的最終目標(biāo)是保證產(chǎn)品中每個(gè)電子元器件都工作在其允許的溫度范圍內(nèi)，對(duì)于壽命受溫度影響較明顯的器件還需考慮其估算壽命滿足設(shè)計(jì)要求，主要考慮電解電容。

無(wú)論是對(duì)器件增加輔助散熱措施、單板布局還是系統(tǒng)散熱方案的制定，都需要在對(duì)系統(tǒng)中溫度分布情況很了解的情況下才能進(jìn)行散熱設(shè)計(jì)和驗(yàn)證，比如對(duì)發(fā)熱嚴(yán)重器件、溫度敏感器件、發(fā)熱集中區(qū)域要非常清楚。

在電路設(shè)計(jì)時(shí)要養(yǎng)成良好的習(xí)慣，考慮好器件的額定功率、額定電流等是否滿足降額要求，如果沒(méi)有把握可模擬出器件的工作環(huán)境，對(duì)溫度進(jìn)行實(shí)測(cè)。集成電路按照其Layout要求進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)。