标签: 热设计

感谢论坛本次活动，让我们可以全面的了解热设计，对于电子产品来说散热是很重要的一部，我们也跟着作者的脚步一点一点打开热设计的世界。 在进行热设计之前，首先需要对基础理论和概念有基础的认识。传热学和流体力学是热设计领域中的基础理论，类似于武侠小说中大侠练习基本功一样，掌握这些基本概念对于在热设计领域中取得成功至关重要。传热学研究热量传递的规律，而流体力学则研究流体在不同状态下的力学规律。在热设计中，水和空气常常作为热量的传递媒介，实现热量传递的过程。热量传递是由高温到低温的过程，存在于自然界的温度差异中。传热学主要包括热传导、热对流和热辐射这三种基本方式。 热传导，亦称导热，是热量在温度差异下，通过物体间或物体内部直接接触的传递方式。这一过程依托于微观粒子如分子、原子的热运动，促使热量得以转移。热传导主要活跃于固体介质中，且在此过程中，参与热传导的物体形态保持不变，无物理位置的移动，在我们的日常生活中，电热毯的使用就是常见的热传导的利用。由于物质的热导率受温度、压力、成分等影响很大，采用实验方法测量热导率几乎成为获取物质热导率的唯一方法。比较主流的方法有瞬态法和稳态法两种。 在日常生活中，热量遵循自然法则，自高温向低温流转。得益于被子卓越的隔热性能，它有效阻断了外界暖流的侵袭，确保棒冰身处清凉之中，得以长时间保持固态，延缓融化，这种用法在小时候很常见，现在更多的是使用更加阻热高的材质了。电子产品热设计的核心挑战之一，在于确保内部元器件的结温严格控制在安全阈值之下。鉴于结点位居元器件深处，直接测量实属不易，因此元器件制造商会提供一项关键参数：即内部结点温度与外部特定点温度之间的关联值，这一关键指标被业界称为封装芯片的热阻，它对于精确管理热量至关重要。 热对流是依靠流体的运动,将热量由一处传递到另一处的现象,属于三种基本传热方式之一。 热辐射是一种物体通过电磁波的形式将热能向外散发的传热方式。其特点包括：1) 不依赖物体的接触而进行热量传递，可以在真空中进行传递；2) 辐射换热过程伴随着能量形式的二次转化；3) 一切物体只要其温度高于绝对零度都会发射热射线。在物体温差存在时，高温物体向低温物体传递的能量大于低温物体传递给高温物体的能量。太阳是一个高温气体球体，内部进行着剧烈的热核反应，温度高达数千万摄氏度。由于高温，太阳向宇宙空间辐射的能量中有99%集中在0.2umλ<3μm的短波区。根据大气层外缘测得的太阳单色辐射力，可以看出它和温度为5762K的黑体辐射相当。 流体力学是研究流体在静止和运动下的力学规律的一个分支学科。在电子产品中，热量通常通过气体或液体以对流换热的方式传递。掌握流体力学的基本概念可以帮助我们分析热量传递路径并进行强化传热。对流换热是流体与固体间的热传导和热对流耦合现象，其强弱受到流体流速的显著影响。流体的流动状态主要可分为层流和湍流两种。在流体流动过程中，能量损失可细分为沿程损失和局部损失，损失的大小取决于流体的速度和物性，以及流经物体表面状况和结构等因素。 在了解一定的基本概念后就可以进一步接触热设计基础，产品所采用的热设计技术和方案主要取决于产品的市场定位和功能。对于任何产品的热设计而言，最为重要且必须的是清晰了解产品的定位、功能和应用场景等信息,并且将以上信息转化为热设计的规格要求。在热设计规格确定之后,热设计方案的确定决定了整个产品之后的研发顺利与否。通过了解行业内类似产品的热设计架构,以及参考分析公司内部过往的产品设计,有助于确定一个合理且有效的热设计方案。基于热仿真技术可以快速评估产品不同热设计方案是否满足设计规格，以及热设计方案中是否存在风险，为方案的优化提供基础和方向。热测试主要是验证产品热设计方案的有效性,作为热设计成功与否的重要评判工作。实际产品的热设计工作属于研发设计的一个组成部分,而产品的设计指标(包括使用环境温度、芯片规格、工作性能、噪声等）成本和产品化又相互制约和影响,真正的产品热设计工作受限和考虑的因素非常多,这可能也是产品热设计所面临巨大挑战的原因。 在确定电子产品的热设计技术方案后，需要对涉及的散热元件进行选择和细化。风扇的选择对采用强迫对流冷却技术的电子产品至关重要。不论是自然对流冷却还是强迫冷却的电子产品，都需要考虑散热器的设计和选用。随着电子产品功率密度和热设计要求的提高，热管、均温板、导热界面材料和冷板等散热元件在热设计技术方案中的应用越来越广泛。 热仿真分析的目的是为了识别产品中存在的热风险区域，并评估产品的散热架构和路径是否能有效传递热量。通过基于仿真分析的结果，可以帮助优化产品的热设计，降低热风险。当电子、机构和散热专业无法达成热设计优化方案时，或许可以通过对战模块来解决分歧。 在电子产品的整个研发过程中，热测试工作是非常重要的环节。热测试工作主要分为初步方案测试、优化方案测试和产品验证测试三个阶段，每个阶段都有其特定的目的和作用。在热测试中，主要关注的物理量包括温度、速度、压力和产品的流阻特性等。测试过程中需要使用到各种测试仪器，如热电偶、数据采集仪、恒温恒湿箱、红外热像仪和风洞等。通过不断进行热测试工作，可以验证产品的热设计方案的合理性和有效性，确保产品满足热设计验证标准。 接下来就来到不同品类产品的热设计的具体，本书着重进行了消费电子产品、电力电子产品、通信电子产品，照明电子产品等常见电子产品的分析。 本书非常的有趣，都是以日常生活的小例子进行导入，然后引出概念或者知识，彩色刊印的识别度也非常高，通俗易懂的同时也准确的传播热设计知识。

【导读】目前随着科学技术和制造工艺的不断发展进步，半导体技术的发展日新月异。对于功率半导体器件而言，其制造工艺也同样是从平面工艺演变到沟槽工艺，功率密度越来越高。目前功率半导体器件不仅是单一的开关型器件如 IGBT 或 MOSFET 器件类型，也增加了如智能功率模块IPM等混合型功率器件类型。在IPM模块中既集成有功率器件，还集成了 驱动器 和控制电路IC，这样的功率半导体器件具有更高的集成度。这种混合集成型的功率半导体器件其封装结构和传统的单一功率半导体器件有一定的区别，因此其散热设计和热传播方式也有别于传统的功率半导体器件，会给使用者带来更大的热设计挑战。 本文以 英飞凌 的CIPOS™ Nano IPM模块IMM100系列为例说明英飞凌创新型PQFN封装器件的热传播模型，并结合不同撒热条件下散热结果对比分析，给出PQFN封装在应用中的散热建议和器件钢网设计以及回流焊接温度参考曲线，以此希望可以给使用者提供此类器件的应用参考作用。 PQFN封装热传播模型 CIPOS™ Nano IPM模块IMM100系列采用英飞凌创新设计PQFN封装，在单个封装内集成了三相逆变电路、驱动电路和控制器 MCU 。其封装尺寸为12mm×12mm，厚度仅为0.9mm。图1为PQFN封装的IPM模块刨面图，从图1中可以看到三相逆变器MOSFET的漏极直接作为PQFN封装的管脚，其具有很小的热阻，使 功率MOSFET 产生的热量能够快速传递到PCB板焊盘铜皮。 图1.PQFN封装IPM刨面图 图2.PQFN封装IPM模块的底面图 图2是PQFN封装IPM模块的底面图。V+，Vs1， Vs2和Vs3是功率MOSFET主要散热途径，V-是IPM集成的驱动和控制芯片的主要散热途径。 图3.PQFN封装IPM模块焊接于PCB上的热传播示意图 图4.PQFN封装IPM模块热阻模型 图3给出了PQFN封装IPM模块焊接于PCB板上的热传播示意图，从图中可以看到IPM模块产生的热量主要传播途径是通过PCB板和铜皮进行传导，仅有很小部分的热量从IPM模块顶部传导到空气中。其原因是由于IPM模块的特殊封装结构，功率MOSFET芯片固定于金属框架上，金属框架底面直接作为IPM模块的管脚焊接于PCB的表贴焊盘上，因此从芯片到PCB板焊盘之间的热阻R th(j-CB) 比较小。相对应地从芯片到IPM顶部为塑封材料，其热阻相对较大，因此从芯片到壳的热阻R th(j-CT) +相比R th(j-CB) 较大。 图4是PQFN封装IPM模块的热阻模型。根据前面分析IPM模块耗散的热量主要通过PCB板和铜皮传播，因此热耗散功率P D,B 远大于P D,T ，热耗散功率P D,T 对于IPM温升的影响相对于P D,B 来说可以忽略不计。 即P D,B P D,T ，P D,T X R th(j-CT) ≈0 因此根据R th(j-c) =(T j -T c )/P D ， 可以得出T j ≈T C 也就是说可以粗略地认为IPM的壳温近似等于结温。根据此结论在实际应用中可以方便的估算大概的IPM结温，以此判断IPM是否工作于安全工作区。需要注意的是根据此结论估算出来的结温只是一个近似值，不是严格意义上的精确结温。 PQFN封装四种不同散热形式对比测试分析 根据PQFN封装的特点和实际应用场合，在实验室中采用四种不同应用场景进行热性能对比测试。第一种应用场景是采用常规FR-4材料PCB板（1.6mm厚度，双层板），IPM模块依赖PCB散热，无任何外加散热措施；第二种是在第一种应用场景基础上用一个9X9X5mm的小铝型材 散热器 粘贴在IPM模块的顶部辅助散热；第三种应用场景是在第一种基础上采用附加风扇强制风冷，风扇为12V DC /0.11A；第四种应用场景是用铝基板代替FR-4材质PCB板，铝基板厚度为1.6mm，铜皮为1oz。图5为四种不同应用场景的实物电路板示意图。 图5.四种不同应用场景的实物电路板示意图 基于上述四种不同应用场景，在实验室中对IMM101T-046M的输出相电流和其壳温进行了测试。测试时逆变器载频是10kHz，直流母线电压为300V。相应的根据所测数据绘制IPM输出相电流和相对壳温的关系曲线如图6所示。 从测试数据可以看出同样使用FR4材料的PCB板焊装此种PQFN封装的IPM模块时，额外增加顶部的散热器或冷却风扇也会对降低IPM壳温有很大帮助。虽然前文说明PQFN封装产生的热量主要从PCB板和铜皮传导出去，但是由于PQFN封装的IPM模块厚度仅为0.9mm，IPM顶部表面到硅片之间塑封材料厚度比较薄，根据前面结论可以近似认为IPM壳温和结温相同，因此当IPM顶部用散热器降温时也会对硅片温度有较明显的降低作用。当用冷却风扇降温时，在降低壳温同时也会降低IPM模块附近的铜皮温度，这样使IPM产生的热量更加迅速地从焊盘到铜皮传导出去，进一步降低硅片温度。 对比应用场景1和4的测试数据可以看出无任何额外附加散热措施时，在大致相同的IPM温升条件下，使用铝基板时IPM的输出电流能力大约增大一倍。在某些结构体积比较紧凑的应用场合可以增大IPM的应用功率密度。 图6.IPM输出相电流和相对壳温升的关系曲线 图7是在四种不同应用场景下测试时的红外温度图，在相同的300V直流母线电压和10kHz载频下测试所得。 图7.四种不同应用场景下测试时的红外温度图 PQFN封装钢网设计和回流焊接温度曲线建议 PQFN器件为表贴封装，因为其主要依赖表贴管脚通过PCB和铜皮散热，所以PQFN一些主要散热管脚的面积比较大，相应地在PCB板上的焊盘面积也比较大。这样会引起在回流焊接时大面积焊盘不可避免的出现空洞，过大比例的空洞会增加器件管脚和焊盘之间的热阻，降低热传导性能。在实际的批量焊接时一般要求焊接空洞率小于25%即可确保热阻性能要求。对于PCB焊盘设计时采取一些优化措施可以从设计的角度降低焊接空洞率，改善焊接质量。 ● 措施一是把大焊盘的钢网分割成小块； ● 措施二是在分割成小块的钢网交叉空隙处放置0.3mm直径的过孔； ● 措施三是推荐使用0.127mm厚度的钢网，不推荐使用钢网厚度小于0.1mm或大于0.15mm。 图8是大焊盘钢网被分割成小块的示意图。通过采取以上几种设计改善措施，实际制作PCB并焊接PQFN器件后经过X光拍照统计焊接空洞率比较低。实验测试空洞率大约在15%左右。图9是推荐的PCB库元件设计图。图10给出了推荐的回流焊接温度曲线。基于此推荐焊接温度曲线，用户可以结合自己所用焊锡膏和焊接工艺流程调整焊接设备参数以便获得较低的焊接空洞率，改善焊接质量。 图8.大焊盘钢网分割成小块 图9.推荐的IMM101T系列器件PCB库元件 图10.推荐的回流焊接温度曲线 总结 通过上述测试结果和分析说明可以看出对于这种创新型的PQFN封装形式的IPM模块在实际应用中和通用器件有一定的不同，由于其采用PCB和铜皮作为主要的散热方式，并且具有很小的封装尺寸，因此这种PQFN封装的IPM模块可以被应用于结构体积较小的应用场合中，找元器件现货上唯样商城比如像吹风机，空调室内机风扇，吊扇等应用。如果再采用额外附加的散热措施，如顶部粘贴散热器或采用冷却风扇都可以增加模块的电流输出能力，扩大PQFN封装IPM模块的应用功率范围。当采用铝基板代替FR-4材料PCB板时，IPM模块的电流输出能力可以增加大约一倍。

硬件设计－PCB热设计(转） 1、热设计的重要性 电子设备在工作期间所消耗的电能，除了有用功外，大部分转化成热量散发。电子设备产生的热量，使内部温度迅速上升，如果不及时将该热量散发，设备会继续升温，器件就会因过热失效，电子设备的可靠性将下降。 http://www.dzweibo.com/index.php/topic/1509

  电子设备热设计(电子产品热仿真分析)     主办单位：中国电子标准协会http://www.ways.org.cn   课程背景: 　　随着微电子技术及组装技术的发展，现代电子设备正日益成为由高密度组装、微组装所形成的高度集成系统。电子设备日益提高的热流密度，使设计人员在产品的结构设计阶段必将面临热控制带来的严酷挑战。 热设计 处理不当是导致现代电子产品失效的重要原因，电子元器件的寿命与其工作温度具有直接的关系，也正是器件与PCB中热循环与温度梯度产生热应力与热变形最终导致疲劳失效。而传统的经验设计加样机热测试的方法已经不适应现代电子设备的快速研制、优化设计的新需要。因此，学习和了解目前最新的电子设备热设计及热分析方法，对于提高电子设备的热可靠性具有重要的实用价值。 培训收益： - 通过本课程的学习，学员能够了解--- 1. 电子设备 热设计 要求及热设计方法 2. 电子设备冷却方法的选择及主要元器件的热特性 3. 电子设备的自然冷却及强迫风冷设计 4. 散热器的设计及优化 5. 热电致冷、热管散热器等高效散热部件的原理及应用 6. 电子设备热性能评价及改进方法 7. 计算机辅助热分析原理 8. 电子设备热设计工程应用实例 培训时间 ： 两天，共14小时 电子设备热设计讲座 课程内容： 一、 电子设备热设计要求（0.5H） 1. 热设计基本要求 2. 热设计应考虑的问题 二、 电子设备热分析方法（1H） 1. 热分析的基本问题 2. 传热基本准则 3. 换热计算 4. 热电模拟 5. 热设计步骤 三、 冷却方法的选择（0.25H） 1. 冷却方法的分类 2. 冷却方法的选择 3. 冷却方法选择示例 4. 冷却技术的极限 四、 电子元器件的热特性（0.25H） 1. 半导体器件的热特性 2. 磁芯元件的热特性 3. 电阻器的热特性 4. 电容器的热特性 五、 电子设备的自然冷却设计（1H） 1. 热安装技术 2. 热屏蔽和热隔离 3. 印制板的自然冷却设计 4. 传导冷却 5. 电子设备机柜和机壳的设计 六、 电子设备用肋片式散热器（0.5H） 1. 概述 2. 肋片散热器的传热性能 3. 肋片散热器设计 4. 肋片散热器在工程应用中的若干问题 七、 电子设备强迫空气冷却设计（1H） 1. 强迫空气冷却的热计算 2. 通风机 3. 系统压力损失及计算 4. 强迫空气冷却系统的设计 5. 通风管道的设计 6. 强迫空气冷却的机箱和机柜设计 八、 电子设备用冷板设计（0.5H） 1. 概述 2. 冷板的结构类型及选用原则 3. 冷板的换热计算 4. 冷板的设计步骤 九、 热电制冷器（1.25H） 1. 概述 2. 热电制冷的基本原理 3. 制冷器冷端净吸热的基本方程 4. 热电制冷器的两种设计方法 5. 多级热电制冷器的性能 6. 热电制冷器工程设计实例 7. 热电制冷器的结构设计 8. 热电制冷器在热控制中的应用 十、 热管散热器的设计（1.25H） 1. 概述 2. 热管的类型及其工作原理 3. 普通热管的传热性能 4. 热管设计 十一、 电子设备的热性能评价（0.5H） 1. 热性能评价的目的与内容 2. 热性能草测 3. 热性能检查项目 4. 热性能测量 十二、 计算机辅助热分析技术（1.5H） 1. 计算流体动力学概述 2. 计算流体动力学的工作步骤 3. 计算流体动力学的分支 4. CFD求解过程 5. CFD软件结构 6. 常用的CFD商用软件 7. 边界条件的应用 十三、 热设计实例（4H） 1. 大功率LED 热设计 2. 电子设备热分析软件应用研究 3. 典型密封式电子设备热设计 4. 功率器件热设计及散热器的优化设计 5. 表面贴装元器件的热设计 6. 某3G移动基站机柜的热仿真及优化 7. 电子设备热管散热器技术现状及进展 8. 吹风冷却时风扇出风口与散热器间距离对模块散热的影响 9. 实验评估热设计软件 十四、 自由交流及讨论（0.5H）   电子设备热设计(电子产品热仿真分析)     课程背景: 　　随着微电子技术及组装技术的发展，现代电子设备正日益成为由高密度组装、微组装所形成的高度集成系统。电子设备日益提高的热流密度，使设计人员在产品的结构设计阶段必将面临热控制带来的严酷挑战。 热设计 处理不当是导致现代电子产品失效的重要原因，电子元器件的寿命与其工作温度具有直接的关系，也正是器件与PCB中热循环与温度梯度产生热应力与热变形最终导致疲劳失效。而传统的经验设计加样机热测试的方法已经不适应现代电子设备的快速研制、优化设计的新需要。因此，学习和了解目前最新的电子设备热设计及热分析方法，对于提高电子设备的热可靠性具有重要的实用价值。 培训收益： - 通过本课程的学习，学员能够了解--- 1. 电子设备 热设计 要求及热设计方法 2. 电子设备冷却方法的选择及主要元器件的热特性 3. 电子设备的自然冷却及强迫风冷设计 4. 散热器的设计及优化 5. 热电致冷、热管散热器等高效散热部件的原理及应用 6. 电子设备热性能评价及改进方法 7. 计算机辅助热分析原理 8. 电子设备热设计工程应用实例 培训时间 ： 两天，共14小时 电子设备热设计讲座 课程内容： 一、 电子设备热设计要求（0.5H） 1. 热设计基本要求 2. 热设计应考虑的问题 二、 电子设备热分析方法（1H） 1. 热分析的基本问题 2. 传热基本准则 3. 换热计算 4. 热电模拟 5. 热设计步骤 三、 冷却方法的选择（0.25H） 1. 冷却方法的分类 2. 冷却方法的选择 3. 冷却方法选择示例 4. 冷却技术的极限 四、 电子元器件的热特性（0.25H） 1. 半导体器件的热特性 2. 磁芯元件的热特性 3. 电阻器的热特性 4. 电容器的热特性 五、 电子设备的自然冷却设计（1H） 1. 热安装技术 2. 热屏蔽和热隔离 3. 印制板的自然冷却设计 4. 传导冷却 5. 电子设备机柜和机壳的设计 六、 电子设备用肋片式散热器（0.5H） 1. 概述 2. 肋片散热器的传热性能 3. 肋片散热器设计 4. 肋片散热器在工程应用中的若干问题 七、 电子设备强迫空气冷却设计（1H） 1. 强迫空气冷却的热计算 2. 通风机 3. 系统压力损失及计算 4. 强迫空气冷却系统的设计 5. 通风管道的设计 6. 强迫空气冷却的机箱和机柜设计 八、 电子设备用冷板设计（0.5H） 1. 概述 2. 冷板的结构类型及选用原则 3. 冷板的换热计算 4. 冷板的设计步骤 九、 热电制冷器（1.25H） 1. 概述 2. 热电制冷的基本原理 3. 制冷器冷端净吸热的基本方程 4. 热电制冷器的两种设计方法 5. 多级热电制冷器的性能 6. 热电制冷器工程设计实例 7. 热电制冷器的结构设计 8. 热电制冷器在热控制中的应用 十、 热管散热器的设计（1.25H） 1. 概述 2. 热管的类型及其工作原理 3. 普通热管的传热性能 4. 热管设计 十一、 电子设备的热性能评价（0.5H） 1. 热性能评价的目的与内容 2. 热性能草测 3. 热性能检查项目 4. 热性能测量 十二、 计算机辅助热分析技术（1.5H） 1. 计算流体动力学概述 2. 计算流体动力学的工作步骤 3. 计算流体动力学的分支 4. CFD求解过程 5. CFD软件结构 6. 常用的CFD商用软件 7. 边界条件的应用 十三、 热设计实例（4H） 1. 大功率LED 热设计 2. 电子设备热分析软件应用研究 3. 典型密封式电子设备热设计 4. 功率器件热设计及散热器的优化设计 5. 表面贴装元器件的热设计 6. 某3G移动基站机柜的热仿真及优化 7. 电子设备热管散热器技术现状及进展 8. 吹风冷却时风扇出风口与散热器间距离对模块散热的影响 9. 实验评估热设计软件 十四、 自由交流及讨论（0.5H）  

          热设计在电路设计中的应用上是很重要的学问。原因之一是SMT技术在组装密度上不断增加，而在元件体形上不断缩小，造成单位体积内的热量不断提高，会造成元器件的性能发生变化。另一原因是SMT的元件和组装结构，对因尺寸变化引起的应力的消除或分散能力不佳，造成对热变化引起的问题特别严重。常见的故障是经过一定时间的热循环后(环境温度和内部电功率温度)，焊点发生断裂的现象。        发热是不可避免的，所以散热就成了必须要考虑的问题，关于这方面的内容由于本人的经验有限，只能提一些基本原则： 1、在自然对流的条件下，元器件与元器件之间，元器件与结构件之间，必须保持一定的距离，以利于空气流动，增加对流换热的效果。 2、在空气流动的方向上，对热较敏感的元件应分布在‘上游’的位置。不耐热的元件（如电解电容器）尽可能放在靠近进风口的位置，本身发热而又耐热的元件（如电阻，变压器等）放在靠近出风口的位置。 在风冷条件下，电解电容等温度敏感器件离热源距离要求大于或等 2.5mm；自然冷条件下，电解电容等温度敏感器件离热源距离要求大于或 等于 4.0mm。  3、发热较高的元件分散开来，使单位面积的热量较小。  4、将热源尽量靠近冷却面(如传导散热的板边等等)      在使用强制空气对流的情况下：  5、 较高的元件应分布在热源的下游地方。  6、下游的高元件应和热源有一定的距离。  7、 高而且长外形的元件应和空气流动方向平行。   良好的设计才能产出精品系列： 良好的设计才能产出精品——序 良好的设计才能产出精品-1元器件布局之工艺边设计 良好的设计才能产出精品-2元器件布局之MARK点设计 良好的设计才能产出精品-3元器件布局之布局原则 良好的设计才能产出精品-4元器件布局之波峰焊工艺布局原则 良好的设计才能产出精品-5元器件布局之热设计原则 良好的设计才能产出精品-6元器件焊盘设计