現(xiàn)代電子產(chǎn)品離不開熱設(shè)計。如果沒有熱設(shè)計，你的產(chǎn)品會越來越熱。典型的是夏季筆記本和口袋里的智能手機。原因如下：
1)系統(tǒng)集成度越來越高；
2)廣泛使用大功耗器件；
3)系統(tǒng)容量大，產(chǎn)品體積小；
4)環(huán)境適應(yīng)性要求越來越高(比如戶外產(chǎn)品越來越多)。
熱對電子可靠性的影響如下：
1)電子產(chǎn)品可靠性(壽命)故障的40%以上是由溫度問題引起的:電子零件的溫度上升10度，壽命下降一半。
2)電子設(shè)備的性能隨工作溫度的升高而變化(電容最明顯)。
2.熱設(shè)計概念
綜合利用傳導(dǎo)、對流、輻射三種換熱手段，將發(fā)熱源設(shè)計為低熱阻通道，以滿足設(shè)備散熱要求。
3.熱設(shè)計目的
熱設(shè)計的目的是確保產(chǎn)品在指定的環(huán)境規(guī)格下正常工作，達到產(chǎn)品的可靠性目標(biāo)，滿足產(chǎn)品各部分溫升的限制性要求。
熱設(shè)計目標(biāo)是可靠性目標(biāo)的一部分。
4.對流、傳導(dǎo)和輻射的概念
熱量總是自發(fā)地從高溫區(qū)傳遞到低溫區(qū)，或者從物體的高溫部分傳遞到低溫部分。有三種傳遞方式：
1）傳導(dǎo)
2）對流
3）輻射
4.1 傳導(dǎo)
當(dāng)物體直接接觸傳導(dǎo)時， 能量交換通過分子間動能傳遞。
公式：Q = K A △t / L
Q ---- 傳導(dǎo)散熱， W
K ---- 導(dǎo)熱系數(shù), W/m·℃
A ---- 導(dǎo)體橫截面積， m2
△t ---- 傳熱路徑兩端溫差， ℃
L ---- 傳熱路徑長度， m
常用材料的導(dǎo)熱系數(shù)：
鋁約180，壓鑄鋁120，鐵約40 、銅390(但銅的密度是鋁的3倍，重量，價格)，石墨是各向異性，x方向是10，Y，Z方向可達600，重量輕。
導(dǎo)熱系數(shù)大，內(nèi)部溫差小。
熱管是一種傳熱能力極高的結(jié)構(gòu)，其導(dǎo)熱系數(shù)可達1萬以上。
我們經(jīng)常在芯片和散熱器之間添加導(dǎo)熱（絕緣）材料，因為兩個表面不均勻，中間有空氣，需要填充導(dǎo)熱性好的材料。材料需要良好的形狀適應(yīng)性，盡可能薄和高壓（注意芯片能承受的最大壓力）；
常見的導(dǎo)熱介質(zhì)材料包括導(dǎo)熱膠、導(dǎo)熱硅脂、導(dǎo)熱軟硅膠墊片、導(dǎo)熱云母片、導(dǎo)熱相變材料等。
由于導(dǎo)熱硅脂具有良好的填充性，熱阻小于其他導(dǎo)熱絕緣材料；
目前常用導(dǎo)熱硅脂的導(dǎo)熱系數(shù)為0.8~1，但也有2、4、5，最大可達10。
4.2 對流
當(dāng)流體通過固體表面時，對流是流體與固體交換。
公式： Q = hc A △t
Q ---- 對流散熱量， W
hC ---- 換熱系數(shù), W/m2·℃
A ---- 有效的換熱面積， m2
△t ---- 換熱表面與流體溫差， ℃
對流換熱與表面流速和換熱面積有關(guān)。我們使用散熱器，本質(zhì)上是為了增加換熱面積；
當(dāng)速度增加到一定程度時，換熱量的增加并不明顯；
一般情況下，插箱單板間的風(fēng)速在風(fēng)機強制冷卻時可超過1m/s。
4.3 輻射
輻射是通過電磁波傳遞熱量的過程。
公式：Q = ε · σ · T4
Q ---- 輻射散熱， W
ε ---- 散熱表面輻射率， W/m2·℃
σ---- 斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)， 5.67×108(W/m2K4)
T ---- 絕對溫度, K
輻射換熱主要要求溫差大；
影響輻射率的因素：材料、表面粗糙度、波長等；
對于室外設(shè)備，輻射率大，吸收率大，應(yīng)注意防輻射措施；
對于自然散熱的情況，必須考慮輻射散熱，這時，輻射散熱是一種重要的散熱方法；對于強迫冷卻的設(shè)備，可以忽略輻射散熱。
5.熱設(shè)計過程
熱設(shè)計結(jié)構(gòu)應(yīng)用于各種機械行業(yè)。
所謂的熱設(shè)計大多是指散熱設(shè)計，但作者也接觸過PTC事實上，加熱產(chǎn)品也屬于熱設(shè)計。
根據(jù)產(chǎn)品的不同，其結(jié)構(gòu)變化很大，因此很難有固定的標(biāo)準。但總體設(shè)計軌跡仍有軌跡可找，其細節(jié)有許多相應(yīng)的標(biāo)準和文檔數(shù)據(jù)可找到。根據(jù)總章程的流程設(shè)計可以遵循軌跡的特點。
1)明確分析設(shè)計要求；(針對事物的問題)
2)選擇合適的標(biāo)準和文檔；
三、照章辦事；
4)專業(yè)表現(xiàn)；
5)特征優(yōu)化:書面形式的上升空間；
6）平時的積累，為第二步做準備。
5.1 明確分析設(shè)計要求；(針對事物的問題)
機械也有很多子行業(yè)，不同行業(yè)對熱設(shè)計的要求非常不同。就像作者上面的加熱設(shè)計和散熱設(shè)計不可能一樣。
一般對熱設(shè)計要求如下：
1)溫度要求；
2)溫升等級；
3)壓力(或高度)；
4)太陽或周圍其他物體的輻射熱載荷；
5)可用的熱沉狀態(tài)(包括類型、溫度、壓力和濕度等)；
6）冷卻劑的種類、溫度、壓力和允許的壓降
熱設(shè)計必須符合要求規(guī)范和測試要求。
如有要求規(guī)格書，規(guī)格書必須對上述熱設(shè)計要求有詳細規(guī)定。
因此，對規(guī)格書的解釋在設(shè)計之前是非常重要的常被從業(yè)者忽視)。
如果您自己設(shè)計或沒有規(guī)格，您需要根據(jù)國家行業(yè)的要求收集相關(guān)的測試標(biāo)準，因此產(chǎn)品注重質(zhì)量會更麻煩，但您可以參考同一行業(yè)強大公司的規(guī)格。
設(shè)計要求得到的方法具體做法詳見：
高階篇：4.1）QFDI(客戶需求轉(zhuǎn)換為設(shè)計要求)
了解自己的行業(yè)環(huán)境，明確熱設(shè)計要求，是做好設(shè)計的第一步。
5.2 對癥選擇合適的標(biāo)準和文檔資料
熱設(shè)計過程分為兩步：
5.2.1 選擇合適結(jié)構(gòu)的熱設(shè)計
大多數(shù)熱設(shè)計的目的是散熱，即冷卻，而不是加熱。因此，作者直接通過冷卻（加熱設(shè)計可設(shè)計可參考）。
1)冷卻方法的分類包括:
①根據(jù)冷卻劑與被冷元件的配置關(guān)系
a. 直接冷卻
b. 間接冷卻
②按傳熱機理
a. 自然冷卻(包括導(dǎo)熱、自然對流和輻射換熱的單獨作用或兩種以上換熱形式的組合)
b. 強迫冷卻(包括強迫冷卻和強迫液體冷卻)
c. 蒸發(fā)冷卻
d. 熱電致冷
e. 熱管傳熱
f. 其它冷卻方法
2)在選擇冷卻方法時，主要考慮熱流密度、體積功率密度、溫升、使用環(huán)境、用戶要求等。
注意：
①確保所采用的冷卻方法具有較高的可靠性；
②冷卻方法應(yīng)適應(yīng)性好；
③冷卻方法應(yīng)便于測試、維護和更換；
④冷卻方法應(yīng)具有良好的經(jīng)濟性；
3）自然散熱
當(dāng)電子設(shè)備的熱流密度小于0時.08w/cm2.體積功率密度不超過0.18w/cm3.自然對流冷卻通常可以使用。自然對流冷卻是利用空氣流過物體表面時的能量交換，利用空氣密度和溫度關(guān)系（熱空氣上升）帶走熱量。
在自然散熱中，應(yīng)考慮傳導(dǎo)、對流和輻射。
4）強迫風(fēng)冷
當(dāng)電子設(shè)備的熱流密度超過0時.08w/cm2.體積功率密度超過0.18w/cm3.自然冷卻不能完全解決其冷卻問題，需要強制空氣冷卻的外部動力。
強迫空氣冷卻通常使用通風(fēng)機，使冷卻空氣通過電子元件帶走熱量。
5）熱阻
當(dāng)熱量以熱傳導(dǎo)的形式在物體內(nèi)傳遞時，遇到的阻力稱為導(dǎo)熱阻。
熱流(功耗)通常模擬為電流；溫差模擬為電壓；熱阻模擬為電阻。
降低傳熱熱阻的方法有幾種:
6)選擇散熱結(jié)構(gòu)時，一般準確的流程如下:
①根據(jù)傳熱機制選擇散熱方式，如自然冷卻；
②從對流、傳導(dǎo)和輻射三種熱傳導(dǎo)方法中選擇合適的結(jié)構(gòu)，形成自然冷卻。自然冷卻應(yīng)考慮三種熱傳導(dǎo)方法。
因為每個行業(yè)的熱要求都會有很大的不同，所采用的主要手段也會有很大的不同。因此，建議比較基準產(chǎn)品，選擇合適的熱設(shè)計結(jié)構(gòu)，是最安全的。記住在這里，自我心爆炸，隨意選擇熱設(shè)計結(jié)構(gòu)，優(yōu)缺點。
比如標(biāo)桿產(chǎn)品選擇強制冷卻(水冷或風(fēng)冷)而不是自然冷卻是有原因的，千萬不要隨意改變。
理由詳見：
①標(biāo)桿產(chǎn)品的拆解與分析(benchmarking)
②階篇：4.3.3）DFMEA現(xiàn)有設(shè)計：預(yù)防控制和探測控制
作者將單獨開一個小節(jié)，列出一些例子作為參考。
5.2.2 選擇該熱設(shè)計結(jié)構(gòu)對應(yīng)的標(biāo)準
很少有嚴格的熱設(shè)計結(jié)構(gòu)構(gòu)的嚴格標(biāo)準很少，作者看到的熱設(shè)計文檔大多是參考性質(zhì)。
因此，在設(shè)計過程中，需要確定熱設(shè)計結(jié)構(gòu)的細節(jié)特征，并在此結(jié)構(gòu)范圍內(nèi)再次細化標(biāo)準的搜索，直到找到最小特征的標(biāo)準。
如PCB首先確定版本的熱設(shè)計PCB版本需要設(shè)計，然后參考PCB熱設(shè)計實例確認了熱設(shè)計的傳熱機，以及對流、傳導(dǎo)和輻射的組合，最后根據(jù)供應(yīng)商的標(biāo)準確定具體尺寸和技術(shù)要求、公差等。
5.3 照章辦事
5.3.1 耐心解讀標(biāo)準
由于熱設(shè)計結(jié)構(gòu)的標(biāo)準不完善，即使是好供應(yīng)商提供的標(biāo)準也難以說是正確和完善的，因此通讀、理解和梳理這些不完善的標(biāo)準需要耐心和專業(yè)素質(zhì)。
5.3.2 作圖
材質(zhì)，尺寸與公差，測試等要求，都是要在圖紙上表現(xiàn)。規(guī)范的圖紙是實力的體現(xiàn)。
5.3.3 熱仿真分析
由于缺乏純手動計算，有熱仿真技術(shù)來代替計算書，機械熱仿真的要求越高。
還別說，最近作者發(fā)現(xiàn)很多公司對熱設(shè)計仿真都有要求，這是對結(jié)構(gòu)工程師的一個加分項目，可以多學(xué)學(xué)。
模擬的步驟實際上是相似的，但基于流體分析的細節(jié)，一些模擬將非常困難，但也建議結(jié)構(gòu)工程師可以嘗試一些初步的熱模擬（如單板級以下）。
熱仿真分析范圍包括：
①統(tǒng)級分析：著眼于機柜、插箱等整個系統(tǒng)，分析整個系統(tǒng)的流場、溫度分布；
②單板級分析
給定單板的局部環(huán)境，分析單板上芯片的散熱情況，優(yōu)化設(shè)備布板與單板的接地、過孔等設(shè)計；
③芯片級分析
建立芯片的詳細包裝模型，分析芯片內(nèi)部的溫度分布。芯片模型包括物理模型和熱阻模型。
5.4 專業(yè)表現(xiàn)
1）圖紙；
產(chǎn)品的熱設(shè)計圖紙包括熱傳導(dǎo)路徑上的所有部件。
2)熱仿真分析結(jié)果；
審核時請檢查這兩件事。
5.5 特征優(yōu)化：書面形式的上升空間
以書面形式表達熱結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計方法可寫在熱仿真分析報告中。
熱設(shè)計結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方向如下：
1)熱設(shè)計結(jié)構(gòu)各參數(shù)優(yōu)化(模擬工程師工作范圍)；
2)熱設(shè)計結(jié)構(gòu)方向優(yōu)化:如將自然冷卻改為強制冷卻(結(jié)構(gòu)工程師的工作范圍)。
5.6 為第二步做準備
由于沒有一步一步的設(shè)計標(biāo)準，平時的積累尤為重要。
具體原因見對癥設(shè)計總章節(jié)，這里就不解釋了。
6. 熱設(shè)計實例
本文介紹了一些熱設(shè)計的例子，可作為標(biāo)桿設(shè)計的參考。
6.1 PCB板熱設(shè)計
6.1.1 采用散熱PCB
–印刷電路板上涂有金屬導(dǎo)熱板；
–印刷線路板上涂有金屬導(dǎo)熱條；
–導(dǎo)熱金屬芯夾在印刷電路板中間。
導(dǎo)熱印制板在安排時要更加提防：因為非金屬和環(huán)氧玻璃絲板的熱伸展系數(shù)分辨較大，如膠接不妥，大概惹起通路板翹曲。
6.1.2 印制板上電子元器件的熱安置本領(lǐng)
安置在印制板上的元器件的冷卻，重要依附導(dǎo)熱供給一條從元器件到印制板及機箱側(cè)壁的低熱阻路途。元器件與散熱印制板的安置情勢如次圖所示。
①為貶低從器件殼體至印制板的熱阻，可用導(dǎo)熱絕緣膠徑直將元器件粘到印制板或?qū)釛l（板）上。若不必粘結(jié)，應(yīng)盡管減小元器件與印制板或?qū)釛l（板）間的間歇。
②安置大功率器件時，若沿用絕緣片，可商量導(dǎo)熱硅橡軟片。為了減小界面熱阻，還應(yīng)在界面涂一層薄的導(dǎo)熱膏。
③同一塊印制板上的元器件，應(yīng)按其發(fā)燒量巨細及耐熱水平分區(qū)陳設(shè)，耐熱性差的器件放在冷卻氣旋的最上流（進口處），耐熱性好的器件放在最卑劣（出口處）。
④有大、小范圍集成通路攙和安置的情景下，應(yīng)盡管把大范圍集成通路放在冷卻氣旋的上流，小范圍集成通路放在卑劣，以使印制板上元器件的溫升趨于平均。
⑤因電子擺設(shè)的處事溫度范疇較寬，元器件引線和印制板的熱伸展系數(shù)不普遍，在溫度輪回變革及高溫前提下，應(yīng)提防采廢除除熱應(yīng)力的少許構(gòu)造辦法。如次圖所示。
對于具備軸向引線的圓柱形元件（如電阻、庫容和二極管），該當(dāng)供給的最小應(yīng)急量為2.54mm，如圖5-13a所示。
巨型矩形元件（如變壓器和扼流圈），應(yīng)像圖5-13b、c那么留有較大的應(yīng)急量。
在印制板上安置晶體管，常使晶體管底座與板面貼合，如圖5-14a所示。 這是一種不好的安置辦法，由于引線的應(yīng)急量不夠，會引導(dǎo)焊點隨印制板厚薄的熱脹冷縮而斷裂。
安置晶體管的幾種較好本領(lǐng)如圖5-14(b)～(e)所示。
6.1.3 印制板路軌熱安排
印制板路軌起兩個效率：導(dǎo)向和導(dǎo)熱。
動作導(dǎo)熱用時，應(yīng)保護路軌與印制板之間有充滿的交戰(zhàn)壓力和交戰(zhàn)表面積，而且保護路軌與機箱壁有杰出的熱交戰(zhàn)。下圖是少許典范的路軌構(gòu)造及其熱阻值。
6.1.4 印制板的有理間距
–對于依附天然透風(fēng)散熱的印制板，為普及它的散熱功效，應(yīng)商量氣旋流向的有理性。
–對于普遍規(guī)格的印制板，豎直安置時的外表溫升較程度安置時小。
–豎直安置的印制通路板，天然散熱時的最小間距應(yīng)為19mm，以提防天然震動的中斷和阻礙。
6.2 散熱器的采用
6.2.1 散熱器的采用過程
按照元器件的熱流密度、體積功率密度、溫升訴求及散熱辦法（天然冷卻、抑制風(fēng)冷），決定能否加裝散熱器。
普遍地說，熱流密度小于0.08W/cm2，沿用天然冷卻辦法；熱流密度勝過0.08W/cm2， 體積功率密度超0.18W/cm3，須沿用抑制風(fēng)冷辦法。
固然，運用上述這個判據(jù)是有基礎(chǔ)的：一是上述本領(lǐng)是假如熱量平均散布在所有擺設(shè)的體積中；二是擺設(shè)內(nèi)的熱量能充溢地傳到擺設(shè)外表。
按照器件功耗、情況前提及器件溫度降額訴求的承諾結(jié)溫，決定散熱器的形勢并經(jīng)過計劃，計劃出散熱器的外表積。
6.2.2 采用散熱器，貶低散熱器熱阻
下圖為安置于散熱器上的功率器件等效熱路圖
RTj——功率器件的內(nèi)熱阻，常常由器件的創(chuàng)造廠家供給；
RTp——器件殼體徑直向范圍情況的換熱熱阻，稱為器件的外熱阻；
RTc——器件與散熱器安置面之間的接 觸熱阻；
RTc——散熱器熱阻。
因為RTp宏大于其它熱阻值，所以總熱阻計劃式為：
RT=RTj+RTc+RTf；
安排訴求功率器件的結(jié)溫應(yīng)滿意：
tj=Pc（RTj+RTc+RTf）+tf≤tj，max；
6.2.3 還要提防的幾點
1）散熱器外表應(yīng)舉行氧化發(fā)黑處置,以鞏固輻射換熱功效。在天然對流情景下, 輻射換熱效率較超過,不妨普及25%的散熱量, 以是, 只有是器件鄰近有高熱源, 散熱器外表都應(yīng)涂覆或氧化發(fā)黑處置以普及輻射本能。
2）散熱器的材料質(zhì)量，普遍引薦采用鋁材、鑄鋁或純銅。
3）按照訴求，不妨采用枯燥式散熱器、鋁材散熱器、叉指型散熱器；也不妨采用熱管散熱器，冷板按散熱器，熱板（vapor chamber)散熱器，石墨散熱器。
4）鋁材散熱器的齒面應(yīng)加漣漪齒，型材散熱器的肋片外表減少漣漪不妨減少10%到20%的散熱本領(lǐng)，漣漪齒的莫大為0.5mm，寬窄為0.5mm～1mm，以減少對流換熱功效。
5）應(yīng)保護鋁材散熱器基板有確定厚薄，以減小傳導(dǎo)熱阻。
6）散熱器本能與筆直氣旋目標(biāo)的寬窄成正比，與氣旋目標(biāo)長度的平方根成正比，以是減少散熱器寬窄的功效要好于減少長度；對于散熱器的流向長度大于300mm，應(yīng)把散熱器的齒片從中央割斷，以減少氣氛擾動，普及對流換熱功效。
6.2.4 散熱器的安置訴求
1）器件與散熱器的交戰(zhàn)面應(yīng)維持平坦晶瑩,散熱器的安置孔要去刺。
2）器件與散熱器和導(dǎo)熱絕緣膜間的一切交戰(zhàn)面處應(yīng)涂導(dǎo)熱硅脂或加其它導(dǎo)熱絕緣資料。
3）免涂導(dǎo)熱硅脂的導(dǎo)熱絕緣膜在交戰(zhàn)面處不妨不涂導(dǎo)熱硅脂
4）對于自然冷卻方式，鋁型材散熱器的安裝應(yīng)使齒槽與水平面垂直，以增強自然對流的效果；對于強制冷卻方式，鋁型材散熱器的安裝應(yīng)使齒槽與風(fēng)的流動方向平行。
5）為降低器件與散熱器的接觸熱阻，應(yīng)適當(dāng)加大接觸力。為避免對組件施加壓力，必須正確支撐散熱器。
6.2.5 散熱器加工工藝
①沖壓沖壓件
②鋁型材
③鑄造（鑄造、壓鑄）
④粘合和型鍛翅片
⑤折疊翅片組件（折疊齒）
⑥去皮
6.3 熱管
熱管的組成如下圖所示：
熱管主要由外殼、工作流體和毛細吸收層三部分組成。
通常外殼材料為純銅；工作流體為純水（用于其他用途的熱管，工作流體也可以是其他類型），含量很少；槽型、篩型和燒結(jié)型，其中槽型和燒結(jié)型應(yīng)用最為廣泛。各種熱管的優(yōu)缺點如下表所示。
熱管是一種導(dǎo)熱率非常高的導(dǎo)熱材料，可以達到30000W/m.℃以上，而且熱管的熱導(dǎo)率不是恒定的。在一定范圍內(nèi)，受熱端溫度越高，熱管的導(dǎo)熱系數(shù)越高。但是，當(dāng)溫度達到一定水平時，熱管的導(dǎo)熱系數(shù)會急劇下降，從而導(dǎo)致故障。因此，對于不同規(guī)格的熱管，都有一個最大的傳輸功率。
7. 善后
今天的產(chǎn)品設(shè)計幾乎肯定有熱設(shè)計，沒有熱設(shè)計。產(chǎn)品很難找到，所以這一章是必須的。記住“傳導(dǎo)、對流、輻射”三種熱傳導(dǎo)方式，面試的時候喜歡問他們。
還有一點簡單的熱模擬可以作為結(jié)構(gòu)工程師學(xué)習(xí)，這也是一個加分點。
