热分析基础(thermoanalysis)

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1、内部学习资料2022年6月1日星期三学习目标学习目标 掌握热分析基础知识掌握热分析基础知识 理解散热器设计流程理解散热器设计流程 熟悉热分析文件及参数熟悉热分析文件及参数 了解了解icepak软件功能软件功能基础知识基础知识温度温度振动振动湿度湿度灰尘灰尘电子失效电子失效电子线路板产生的热与它的效率成反比电子线路板产生的热与它的效率成反比没有转换成电磁功率的热耗散到了周围的环境没有转换成电磁功率的热耗散到了周围的环境热耗包括：热耗包括：电阻损失(I2R) 电能提供(UI) 工作环境的温度直接影响到半导体设备的可靠性工作环境的温度直接影响到半导体设备的可靠性实际上，所有电子失效的机理都是由于封装

2、温度升高引起的实际上，所有电子失效的机理都是由于封装温度升高引起的Total Composite Error (TCE) 总综合误差引起应力腐蚀电子移动氧化物崩溃电流泄漏电性能下降电子失效的主要原因电子失效的主要原因Source: U.S. Airforce Avionics Integrity Program (Reynell, M., 1990)电子封装失效的比例直接与热成正比，而且与封装的最高温电子封装失效的比例直接与热成正比，而且与封装的最高温度成指数增长度成指数增长失效的比例可描述为：F = Ae-E/KT其中， F = 失效率A= 常数E = 激活的电能K = Boltzmanns

3、 constant (8.63e-5eV/K)T = 结温 (K)电子失效电子失效封装温度对失效的影响(每百万个元件工作1000小时失效的数目)电子失效电子失效冷却方法冷却方法散热方法种类：散热方法种类：自然对流强迫对流浸润冷却蒸发冷却热管冷板热电冷却微通道冷却微喷射冷却自然对流散热主要用于低功耗自然对流散热主要用于低功耗最简单、最便宜的冷却方式冷却方法冷却方法强迫对流主要用于相对大的热耗强迫对流主要用于相对大的热耗需要风扇或吹风机带走空气浸润主要用于大热耗，通过将元件浸润到惰性介电液体中，如浸润主要用于大热耗，通过将元件浸润到惰性介电液体中，如碳氟化合物或氟利昂碳氟化合物或氟利昂主要用于超级

4、计算机及大功率交换机等蒸发换热通过蒸发吸收热量，一般应用于大功率场合蒸发换热通过蒸发吸收热量，一般应用于大功率场合冷板主要是军用和高功耗电子设备冷板主要是军用和高功耗电子设备微通道冷却是一种处理非常小的翅片的技术，紧密安装于发热微通道冷却是一种处理非常小的翅片的技术，紧密安装于发热元器件元器件 工质可以是液体或气体热电冷却是一种固体状态的热泵，既无液体又无气体热电冷却是一种固体状态的热泵，既无液体又无气体 通过Peltier(帕尔帖帕尔帖)效应进行热量传递热管是一种高效的热量传递设备热管是一种高效的热量传递设备 蒸发端吸收热量，冷凝端散发热量冷却路径图冷却路径图冷却路径图冷却路径图全压、静压、

5、动压全压、静压、动压流量流量指单位时间内流体（气体、液体或固体颗粒等）流经管道或设备某处横截面的数量。体积流量：当流体以体积表示时称为体积流量。质量流量：当流体以质量表示时称为质量流量。V体积，M质量，t时间，A截面积，流体的密度流量流量传热效率与质量流量成正比；风机的体积流量是一定的； 所以，高海拔需要更大的风机传热方式传热方式三种传热方式：三种传热方式：传导对流幅射传导是发生在两种直接接触的介质（固体，液体，气体）传导是发生在两种直接接触的介质（固体，液体，气体）传导过程中，能量通过以下方式传递：传导过程中，能量通过以下方式传递：自由电子运动点阵振动对流发生在有温差的表面和运动流体间的传热

6、对流发生在有温差的表面和运动流体间的传热传热方式传热方式对流有如下两种方式：对流有如下两种方式：自然对流强迫对流幅射发生在两种没有直接接触的表面：幅射发生在两种没有直接接触的表面：能量通过电磁波传递所有物体大于0 K均发生热幅射几乎所有热幅射发生在红外波长范围能量传递率与表面条件及相关物体间的视角有关传导传导Fourier传导法则传导法则:1维传导维传导Q = 热量T = 温度A = 截面积k = 导热率W/(mK)DX = 厚度R = DX/(kA) = 导热热阻 导热系数DX Q/(A DT)， m W/(K)。是指在稳定传热条件下，“1m”厚的材料，两侧表面的温差为1度()，在1秒内，通

7、过1平方米面积传递的热量。传导传导Fourier传导法则传导法则:1维传导维传导传导传导Fourier传导法则传导法则:1维传导维传导对流对流对流可以是自然和强迫的对流可以是自然和强迫的自然对流是由于温度变化引起的流体内部密度不同产生的自然对流是由于温度变化引起的流体内部密度不同产生的强迫对流则是由于外部方式造成的气流强迫对流则是由于外部方式造成的气流气流也可以分为内流和外流气流也可以分为内流和外流内流是发生在一定的空间内，如管道等内流是发生在一定的空间内，如管道等外流是全部或部分不在空间内的气流外流是全部或部分不在空间内的气流对流对流气流可以被分为：气流可以被分为：层流湍流层流是很规则的气流

8、，气流的流线轨迹比较一致层流是很规则的气流，气流的流线轨迹比较一致湍流很不规则，比较任意，三维运动湍流很不规则，比较任意，三维运动运动强烈，传热高效流动固有时变性大多数流动是湍流大多数流动是湍流近物体表面气流通常是层流近物体表面气流通常是层流对流：牛顿定律的冷却对流：牛顿定律的冷却流体流体 (温度温度= Tf)A, h, TwQ = h.A.(Tw-Tf) = D DT/RQ = 小块到空气的全部热量h = 平均传热系数A = 小块的面积Tw 小块的平均温度Tf = 小块附近气流的平均温度R = 热阻对流：对流：h h值值典型的典型的h和和R值值对流：对流：h h值值换热系数取决于很多因素换热

9、系数取决于很多因素 湍流比层流 h值大 强迫对流比自然对流h值大 液体比气体h值大 粗糙表面比光滑表面h值大 未展开气流比完全展开气流h值大 非稳态比稳态h值大辐射辐射强迫对流风冷散热可不计算辐射强迫对流风冷散热可不计算辐射 辐射一般发生在波长较长的红外波段，特点是发射率接近吸收率热管热管很高的导热性。高导热性是相对而言的，温差总是存很高的导热性。高导热性是相对而言的，温差总是存在的。并且热管的传热能力受到各种因素的限制，存在的。并且热管的传热能力受到各种因素的限制，存在着一些传热极限。在着一些传热极限。优良的等温性。优良的等温性。热流密度可变性。热管可以独立改变蒸发段或冷却段热流密度可变性。

10、热管可以独立改变蒸发段或冷却段的加热面积。的加热面积。热流方向可逆性。热流方向可逆性。热开关性能。只允许热流向一个方向流动，当温度高热开关性能。只允许热流向一个方向流动，当温度高于某一温度时，热管开始工作。于某一温度时，热管开始工作。恒温特性（可控热管）。恒温特性（可控热管）。环境适应性。环境适应性。热管结构简单，重量轻，体积小，维修方便。热管结构简单，重量轻，体积小，维修方便。散热器散热器散热器散热器散热器通过扩大散热面积提高传热效果散热器通过扩大散热面积提高传热效果牛顿冷却定律：牛顿冷却定律：Q = h . A . (Tw - Tf)Q = 传热量A = 表面积Tw = 表面温度Tf =

11、周围流体温度h = 传热系数上述公式说明，对于一个给定的上述公式说明，对于一个给定的Q、h和和Tf，表面积越大，表面积越大，表面温度越低表面温度越低散热器类型散热器类型现有的散热器种类：现有的散热器种类：冲压拉伸粘接折叠液体冷板铸造冲压散热器冲压散热器铜或铝板材低成本拉伸散热器拉伸散热器用于大功率负载纵向、横向或锯齿形受height-to-gap比或翅片厚度限制粘接散热器粘接散热器They are high performance heat sinks高性能散热器没有height-to-gap比或翅片厚度限制折叠折叠-fin散热器散热器液体冷板液体冷板可用于热负荷 500 到 30,000 W