2.1 電子熱設(shè)計基礎(chǔ)理論原理

電子熱設(shè)計是指對各類電子設(shè)備（芯片、PCB等）、系統(tǒng)整機(jī)的溫升進(jìn)行合理的控制，保證電子設(shè)備系統(tǒng)的正常工作，因此，電子設(shè)備熱設(shè)計的理論基礎(chǔ)是傳熱學(xué)和流體力學(xué)。高溫是電子產(chǎn)品最嚴(yán)重的危害，會導(dǎo)致半導(dǎo)體自由電子運(yùn)動加快，信號失真，造成電子系統(tǒng)或器件的壽命降低、性能減弱、焊點(diǎn)變脆、機(jī)械強(qiáng)度降低，結(jié)構(gòu)應(yīng)力變形等；對于晶體管而言，結(jié)溫的升高會使其電流放大的倍數(shù)迅速增加，這勢必導(dǎo)致集電極電流增加，又使結(jié)溫進(jìn)一步升高，最終將導(dǎo)致元件失效。另外，散熱性能的提升是電子產(chǎn)品小型化的關(guān)鍵問題。了解傳熱及流體的基本理論，有助于解決電子設(shè)備的散熱問題。本章主要是講解與ANSYS Icepak熱仿真相關(guān)的傳熱、流體基礎(chǔ)理論。

熱量傳遞的基本規(guī)律是熱量從高溫區(qū)域流向低溫區(qū)域傳遞，其基本的計算公式為

式中，Q為熱流量（W）; K為換熱系數(shù)（W/m2·℃）; A為換熱面積（m2）; Δt為冷熱流體之間的溫差（℃）。

熱量傳遞包含3種基本方式：導(dǎo)熱、對流和輻射換熱，一般電子熱設(shè)計工程中，會組合采用兩種或3種方式。例如，某機(jī)載雷達(dá)電子控制機(jī)箱，其散熱的路徑為：器件、模組的熱耗通過導(dǎo)熱作用傳導(dǎo)至模塊導(dǎo)熱板，接著通過導(dǎo)熱、自然對流、輻射將熱量傳至模塊兩側(cè)，再經(jīng)金屬導(dǎo)軌傳到機(jī)箱上下側(cè)的波紋板；進(jìn)風(fēng)口的冷空氣流入包含波紋板的風(fēng)道，冷卻波紋板后將熱量帶走，最后熱空氣流出系統(tǒng)。密封腔體內(nèi)的器件及模組，需要考慮器件間、器件與殼體間的輻射換熱及相應(yīng)的自然對流，因此涉及的散熱方式包含導(dǎo)熱、對流、輻射換熱，如圖2-1所示。而對于外太空星載的電子控制產(chǎn)品，其涉及的散熱方式主要是導(dǎo)熱和輻射換熱。

2.1.1 熱傳導(dǎo)

熱傳導(dǎo)是同一介質(zhì)或不同介質(zhì)間，由于溫差所產(chǎn)生的傳熱現(xiàn)象。導(dǎo)熱基本規(guī)律由傅里葉定律給出，表示單位時間內(nèi)通過給定面積的熱流量。傳導(dǎo)的熱流量與溫度梯度及垂直于導(dǎo)熱方向的截面積成正比。熱傳導(dǎo)表達(dá)式為

式中，Q為熱傳導(dǎo)熱流量（W）; λ為材料的導(dǎo)熱系數(shù)（W/m·℃）; A為垂直于導(dǎo)熱方向的截面積（m2）；為沿等溫面法線方向的溫度梯度（℃/m）。

式（2-2）中的負(fù)號表示熱量傳遞的方向與溫度梯度相反?？梢钥闯?，如果要增強(qiáng)熱傳導(dǎo)的散熱量，可以增加導(dǎo)熱系數(shù)，選擇導(dǎo)熱系數(shù)高的材料，如銅（約360W/m ·℃）或鋁（約160W/m·℃）；增加導(dǎo)熱方向的截面積等。

對于金屬來說，自由電子的運(yùn)動和原子晶格結(jié)構(gòu)的振動導(dǎo)致了熱傳導(dǎo)，因此金、銀、銅、鋁這些材料導(dǎo)熱率和導(dǎo)電率都較高；在非金屬固體中，原子晶格的振動高于自由電子運(yùn)動，其導(dǎo)熱率與導(dǎo)電率無關(guān)，但是原子晶格的規(guī)則程度與導(dǎo)熱率有關(guān)，結(jié)構(gòu)化的晶體點(diǎn)陣布置越高，導(dǎo)熱率越高，但是導(dǎo)電率越差。最明顯的材料是鉆石，導(dǎo)熱率是銅的5倍，但是導(dǎo)電率很差。

對于流體而言，分子間的空間比固體大很多，因此導(dǎo)熱率更低。流體的導(dǎo)熱率與壓力和溫度有關(guān)，但是電子散熱中的流體，通常忽略導(dǎo)熱率隨壓力的變化。氣體導(dǎo)熱率通常隨溫度呈現(xiàn)線性變化，但是每種氣體的斜率不同。

通常來說，金屬導(dǎo)熱率較高，非金屬次之，液體較低，氣體最小。ANSYS Icepak內(nèi)嵌了很多電子行業(yè)常見的材料庫，常見材料的導(dǎo)熱系數(shù)可通過ANSYS Icepak軟件查詢；另外，ANSYS Icepak支持用戶建立自己的材料庫。

2.1.2 對流換熱

對流換熱是對電子設(shè)備進(jìn)行溫升控制，保證其散熱的主要方式。對流換熱是指流動的流體（氣體或液體）與其相接觸的固體表面之間，由于溫度不同所發(fā)生的熱量交換過程。其中對流換熱分為自然對流和強(qiáng)迫對流，自然對流是因?yàn)槔洹崃黧w的密度差引起的流動，而強(qiáng)迫風(fēng)冷是由外力迫使流體進(jìn)行流動，是因?yàn)閴毫Σ疃鸬牧鲃印?/p>

影響對流換熱的因素很多，主要包括流態(tài)（層流/湍流）、流體本身的物理性質(zhì)、換熱面的因素（大小、粗糙度、放置方向）等。

對流換熱可以使用牛頓冷卻公式表達(dá)：

式中，Q為對流換熱量（W）; hc為對流換熱系數(shù)（W/m2·℃）; A為壁面的有效對流換熱面積（m2）; tw為固體表面的溫度（℃）; tf為冷卻流體的溫度（℃）。

可以看出，要增強(qiáng)對流換熱，可增大對流換熱系數(shù)和對流的換熱面積。對于自然對流換熱和強(qiáng)迫對流換熱來說，前人提出了計算對流換熱系數(shù)的準(zhǔn)則方程，根據(jù)不同準(zhǔn)則方程計算的對流換熱系數(shù)，可以應(yīng)用到ANSYS Icepak中進(jìn)行散熱計算。不同的準(zhǔn)則方程在2.3節(jié)中會詳細(xì)講解。例如，某通信機(jī)柜的熱仿真，可將通過自然對流準(zhǔn)則方程計算的對流換熱系數(shù)輸入機(jī)柜Wall的屬性中，用于考慮外殼和外界空氣的換熱過程。

另外，ANSYS Icepak本身也提供了計算換熱系數(shù)的準(zhǔn)則方法；作為一款CFD熱仿真軟件，ANSYS Icepak也可以計算出機(jī)箱外殼和外界空氣自然對流的真實(shí)換熱系數(shù)。

2.1.3 輻射換熱

與傳導(dǎo)、對流換熱不同，物體以電磁波形式向外傳遞能量的過程稱為熱輻射。任何高于絕對零度的物體，均以一定波長向外輻射能量，同時也接受外界向它輻射的能量。熱輻射不需要任何介質(zhì)，可在空中傳遞能量，且能量可進(jìn)行轉(zhuǎn)換，即熱能轉(zhuǎn)換為輻射能或輻射能轉(zhuǎn)換成熱能。

物體間的熱輻射是相互的，如果它們存在溫度差，就會進(jìn)行輻射換熱過程。兩物體表面之間的輻射換熱計算表達(dá)式為

式中，Q為對流換熱量（W）; δ0為斯蒂芬—玻耳茲曼常數(shù)，δ0=5.67e-8W/m2·K4; A為物體輻射換熱的表面積（m2）; εxt為系統(tǒng)發(fā)射率，其中ε1、ε2分別為高溫物體表面（如芯片、散熱器）和低溫物體表面（如機(jī)箱內(nèi)表面）的發(fā)射率；F12為表面1到表面2的角系數(shù)；T1、T2為表面1、表面2的絕對溫度（K）。

由此可以看出，要增大物體表面間的輻射換熱，可以提高熱源表面的發(fā)射率（黑色陽極氧化）、熱表面到冷表面的角系數(shù)、增大輻射換熱表面積等。

在ANSYS Icepak中，包含3種輻射換熱的計算方法，后續(xù)章節(jié)會有詳細(xì)的講解說明。在熱模型的屬性面板中，需要設(shè)置物體表面的面材料，包含物體的粗糙度、發(fā)射率、對太陽輻射的吸收率、半球漫反射吸收率等，如圖2-2所示。

2.1.4 增強(qiáng)散熱的幾種方式

從上述3種基本的傳熱表達(dá)式可以看出，電子產(chǎn)品的散熱設(shè)計可以通過以下幾種方式增強(qiáng)換熱。

（1）增加有效換熱面積：如給芯片、IGBT安裝合理的散熱器；將芯片的熱耗通過金線傳導(dǎo)到PCB上，利用PCB的表面進(jìn)行散熱。

（2）增加強(qiáng)迫風(fēng)冷的風(fēng)速，增大物體表面的對流換熱系數(shù)。

（3）減小接觸熱阻：在芯片和散熱器之間涂抹導(dǎo)熱硅脂或者填充導(dǎo)熱墊片，可有效減小接觸面的接觸熱阻，這種方法在電子產(chǎn)品中最常見。

（4）破壞固體表面的層流邊界層，增加紊流度。由于固體壁面速度為0，在壁面附近會形成流動的邊界層，凹凸的不規(guī)則表面可以有效地破壞壁面附近的層流邊界，增強(qiáng)對流換熱。例如，兩個散熱面積相同的交錯針狀散熱器和翅片散熱器，針狀散熱器的換熱量可增加30%左右，這主要是湍流的換熱效果遠(yuǎn)高于層流，而針狀散熱器可增大紊流度；某螺旋形液冷板，在流道內(nèi)增加小尺寸的圓柱形擾流器，可增加流體的紊流度，增強(qiáng)換熱效果，如圖2-3所示。

（5）減小熱路的熱阻：在空間狹小的密閉腔體內(nèi)，器件主要是通過自然對流、導(dǎo)熱和輻射進(jìn)行散熱。因?yàn)榭諝獾膶?dǎo)熱系數(shù)比較小，狹小空間內(nèi)的空氣容易形成熱阻塞，因此熱阻較大。如果在器件和機(jī)箱外殼間填充絕緣的導(dǎo)熱墊片，則熱阻勢必降低，有利于其散熱。

（6）增加殼體內(nèi)外表面、散熱器表面等的發(fā)射率：高溫元件可通過輻射換熱將部分熱量傳遞給殼體，殼體表面的吸收率越高，元件和殼體間的輻射換熱量越大，比如，對于一個密閉的、自然對流的電子機(jī)箱，殼體內(nèi)外表面氧化處理比不氧化處理時元件的溫升平均下降約10%。

另外，可對物體表面進(jìn)行噴砂處理，以增大其輻射換熱面積。圖2-2中的Roughness表示表面噴砂處理后的粗糙度。