电子设备的自然冷却热设计规范汇总.doc

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1、电子设备的自然冷却热设计规范汇总1目的建立一个电子设备在自然冷却条件下的热设计规范,以保证设备内部的各个元器件如开关管、整流管、IPM模块、整流桥模块、变压器、滤波电感等的工作温度在规定的范围内,从而保证电子设备在设定的环境条件下稳定、安全、可靠的运行。2 适用范围本热设计规范适用于自然冷却电子设备设计与开发,主要应用于以下几个方面：l 机壳的选材l 结构设计与布局l 器件的选择l 散热器的设计与选用l 通风口的设计、风路设计l 热路设计3 关键术语3.1 热环境设备或元器件的表面温度、外形及黑度,周围流体的种类、温度、压力及速度,每一个元器件的传热通路等情况3.2 热特性设备或元器件温升随热

2、环境变化的特性,包括温度、压力和流量分布特征。3.3导热系数表征材料热传导性能的参数指标,它表明单位时间、单位面积、负的温度梯度下的导热量。3.4 对流换热系数 w/m2.k对流换热系数反映了两种介质间对流换热过程的强弱,表明了当流体与壁面间的温差为1时,在单位时间通过单位面积的热量。3.5 热阻反映介质或介质间传热能力的大小,表明了1W热量所引起的温升大小。3.6雷诺数Re雷诺数的大小反映了流体流动时的惯性力与粘滞力的相对大小,雷诺数是说明流体流态的一个相似准则。3.7普朗特数普朗特数是说明流体物理性质对换热影响的相似准则。3.8格拉晓夫数格拉晓夫数反映了流体所受的浮升力与粘滞力的相对大小,

3、是说明自然对流换热强度的一个相似准则。3.9定性温度确定对流换热过程中流体物理性质参数的温度。3.10肋片的效率表示某扩展表面单位面积所能传递的热量与同样条件下光壁所能传递的热量之比。3.11黑度实际物体的辐射力和同温度下黑体的辐射力之比,它取决于物体种类、表面状况、表面温度及表面颜色。3.12 外部环境温度的定义自冷时指距设备各主要表面80mm处的温度平均值；强迫风冷使用风扇时指距离空气入口80200mm截面的温度平均值。3.13 机箱表面的温度定义机箱表面温度指在机箱各表面几何中心处的温度。3.14 设备风道的进、出口风温的定义冷却空气入口、出口温度指在入口或出口处与风速方向垂直的截面内各

4、点温度的平均值。3.15 冷板散热器指采用真空钎焊、锡焊、铲齿或插片工艺成型的齿间距较密、宽高比较大的散热器。3.16 太阳辐射强度 太阳辐射强度指1m2黑体表面在太阳照射下所获得的热量值,单位为W/m2.4引用/参考标准或资料下列标准包含的条文,通过在本标准中引用而构成本标准的条文。在标准出版时,所示版本均为有效。所有标准都会被修订,使用本标准的各方应探讨使用下列标准最新版本的可能性。GBxxxxx-89 电力半导体器件用散热器使用导则GB11456-89 电力半导体器件用型材散热器技术条件G/Z27-92 国家军用标准汇编,电子设备可靠性设计手册GB/T 12993-91 电子设备热性能评

5、定电子设备结构设计标准手册TS-S0E0199002电子设备的自然冷却热设计规范V1.0分散式散热产品的热设计规范5 规范内容5.1 遵循的原则5.1.1进行产品的热设计应与电气设计、结构设计同时进行,平衡热设计、结构设计、电气设计各种需求。5.1.2 热设计应遵循相应的国际、国内标准、行业标准、公司标准。5.1.3 热设计应满足产品的可靠性要求,以保证设备内的元器件均能在设定的热环境中正常工作,并保证达到设定的MTBF指标。5.1.4 各个元器件的参数选择、安装位置与方式必须符合散热要求。5.1.4.1元器件的发热表面与散热表面之间的接触热阻应尽可能小。5.1.4.2 根据元器件的损耗大小及

6、温升要求确定是否加装散热器。5.1.4.3 模块的控制回路中尽可能加装温度继电器、压力继电器等热保护回路,以提高系统的可靠性。5.1.5在进行热设计时,应考虑相应的设计冗余,以避免在使用过程中因工况发生变化而引起的热耗散及流动阻力的增加。5.1.6热设计应考虑产品的经济性指标,在保证散热的前提下使其结构简单、可靠且体积最小、成本最低。5.1.7采用自然冷却的条件：常压下单位面积的最大功耗：小于0.024-0.039w/cm2,上限适应于通风条件较恶劣的情况,下限适应于通风条件较好的场合。5.2 产品热设计要求5.2.1产品的热设计指标5.2.1.1 散热器的表面温度最高处的温升应小于50. 5

7、2.1.2 模块内部空气的平均温升应小于25。5.2.2 元器件的热设计指标元器件的热设计指标应符合TS-S0A0204001器件应力降额规范,具体指标如下：5.2.2.1 功率器件的工作结温应小于最大结温的倍对额定结温为175的功率器件, 工作结温小于140.对额定结温为150的功率器件, 工作结温小于120.对额定结温为125的功率器件, 工作结温小于100. 5.2.2.2 碳膜电阻120金属膜电阻100压制线绕电阻 150涂剥线绕电阻 225 5.2.2.3 变压器、扼流圈表面温度 A级 90 B级 110 F级 150 H级 180 5.2.2.4 电容器的表面温度纸质电容器 75

8、85电解电容器 65-80薄膜电容器 75-85云母电容器 75-85陶瓷电容器 75-855.3 系统的热设计5.3.1常见系统的风道结构5.3.1.1系统风道设计的一些基本原则：l 进、出风口尽量远离,以强化烟囱效果。l 出风口尽可能设计在系统的顶部。l 在机柜的面板、侧板、后板没有特别要求一般不要开通风孔,以利于形成有效的烟囱。l 系统后部应留一定空间以利于气流顺畅流出。l 为了避免下部热源对于上层热源的影响,可采用隔板形成独立风道。l 为了避免热空气流入配电单元而影响其可靠性,可把气流风道隔离,形成完整、独立的风道。5.3.1.2一些典型的风道结构风道1l 系统为自然对流独立散热风道

9、机柜出风口在后门的顶部或顶部。l 模块或插框自然冷却。l 机柜后面的风道要求有足够的宽度,通常推荐大于200mm以上。l 配电单元如果位于系统顶部,需与风道隔离,以避免热空气对配电元器件的影响。l 除进、出风口外,其它部位须完全密封。l 系统为自然对流独立散热风道,机柜出风口在后门的顶部或顶部。l 模块或插框强迫风冷且必须为上下风道。l 机柜后面的风道要求有足够的宽度,通常推荐大于200mm以上。l 配电单元如果位于系统顶部,需与风道隔离,以避免热空气对配电元器件的影响。l 除进、出风口外,其它部位须完全密封。 风道2风道3l 系统为自然对流独立散热风道,机柜出风口在后门的顶部或顶部。l 模

10、块或插框为前后通风冷却。l 机柜后面的风道要求有足够的宽度,通常推荐大于200mm以上。l 配电单元如果位于系统顶部,需与风道隔离,以避免热空气对配电元器件的影响。l 除进、出风口外,其它部位须完全密封。l 系统为自然对流独立散热风道,机柜出风口在后门的顶部或顶部。l 模块或插框强迫风冷且必须为上下风道。l 机柜后面的风道要求有足够的宽度,通常推荐大于200mm以上。l 配电单元如果位于系统顶部,需与风道隔离,以避免热空气对配电元器件的影响。l 除进、出风口外,其它部位须完全密封。图1 典型系统风道结构示意图5.3.2系统通风面积的计算系统进风口的面积大小按下式计算： S=Q/ .s-通风口面

11、积的大小,cm2Q-机柜内总的散热量,W H-机柜的高度,cmt=t2-t1-内部空气温度t2与外部空气温度 t1之差,出风口的面积大小应为进风口面积大小的1.5-2倍；5.3.3户外设备的热设计5.3.3.1 太阳辐射对户外设备的影响5.3.3.1.1 太阳辐射强度及其影响因素户外柜由于处于室外,太阳辐射将是其热设计必须考虑的重要一环。到达地面的太阳辐射主要受大气层厚度的影响,大气层越厚,对太阳辐射的吸收、反射和散射就越严重,到达地面的太阳辐射就越少。此外大气的状况和大气的质量对到达地面的太阳辐射也有影响。到达地面的太阳辐射强度的大小,主要取决于地球对太阳的相对运动,也就是取决于被照射地点与

12、太阳射线形成的高度角和太阳光线通过大气层的厚度,显然地球上不同地区、不同季节、不同气象条件下到达地面的太阳辐射强度都是不相同的。到达地面的太阳辐射有两部分：直接辐射 太阳以平行光线的形式直接投射到地面上的,称为太阳直接辐射。太阳直接辐射的强弱和许多因子有关,其中,最主要的是太阳高度角,其次为大气透明度,或者说,太阳辐射经过大气的路程愈短,被大气削弱的愈少,到达地面的太阳辐射愈多；反之,愈少。一天当中,日出、日没时太阳高度最小,直接辐射最弱；中午太阳高度角最大,直接辐射最强。在一年当中,直接辐射在夏季最强,冬季最弱。以纬度而言,低纬度地区一年各季太阳高度角都很大,地表面得到的直接辐射就比中、高纬

13、度地区大得多。散射辐射 太阳高度角增大时,到达地面层的直接辐射增强,散射辐射也就相应地增强；相反,太阳高度角减小时,散射辐射也弱。太阳经过大气路程长,参与散射作用的质点增多,散射辐射增强；相反,减弱。云也能强烈地增大散射辐射。阴天的散射辐射比晴天强。一日内正午前后散射辐射最强,一年内夏季最强。总辐射 同时到达地面的太阳直接辐射和散射辐射之和,称为总辐射。5.3.3.1.2 户外柜表面所吸收的太阳辐射热当太阳射线照射到户外柜表面时,一部分被吸收,一部分被反射,二者的比例取决于表面材料的种类、粗糙度和颜色,表面愈粗糙、颜色愈深,吸收的太阳辐射热愈多。同一材料对于不同波长的辐射光的吸收率也是不同的,

14、黑色表面对各种波长的辐射几乎全部吸收,而白色表面对不同波长的吸收率不同,对于可见光几乎90%都反射回去,所以户外柜表面最好为白色和相近色,以减少进入户外柜内部的太阳辐射热。表1列举出了常用户外柜材料及表面颜色的吸收率和发射率。表2列举出了建筑常材料及表面颜色的吸收率和发射率。表1常用户外柜材料及表面颜色的吸收率和发射率SURFACEShortwave absorptanceLongwave emittancePolished Aluminum0.030.05Oil-Based Paints:White0.20.9Light Green0.50.9Light Gray0.750.9表2 常用建筑

15、材料及表面颜色的吸收率和发射率户外柜表面所吸收的太阳辐射热按式进行计算。Q = solQsun 其中：Q户外柜表面所吸收的总太阳辐射热,Wsol户外柜表面的太阳短波吸收率Qsun照射到户外柜表面的总太阳辐射热,W,包括太阳直射、散射到户外柜表面以及周围其它表面反射的太阳辐射热。QsunI0A I0太阳辐射强度,W/m2,从当地的气象资料中查取。 A户外柜被太阳照射到的表面积,m25.3.3.2 户外柜的传热计算户外柜的传热模型可以简化为如图2所示的热阻网络。图2 户外柜传热简化模型其传热路径包括两个部分：路径一：户外柜内部生成的热量通过对流及辐射传给户外柜内表面,再通过夹层材料的导热传到户外柜

16、外表面,最后通过对流及辐射传给周围的大气。路径二：户外柜外表面吸收了太阳辐射的热量,一部分通过对流及辐射传给周围大气,另一部分则通过夹层材料的导热传到户外柜内。要保持户外柜内的温度Ti恒定,进入户外柜的热量加上内部生成的热量应等于户外柜表面的散热量。如果不能够平衡,则需要借助热交换器或空调来强制维持热量的平衡,保证内部温度达到设计要求并保持恒定。户外柜传热计算的目的就是要计算出需要依靠热交换器或空调来强制维持热量平衡的净热量Qnet。依据热网络图2给出的传热方程式为：Ti - Tair = RiQi + RoQi + RoQ - Ro/RradTair - Tsky.l/Ro = l/Rcon

17、v + l/RradQ户外柜吸收的太阳辐射的热量,W,Q = solQsunQsun太阳辐射的总热量,WTi户外柜内部允许的环境温度,Tair户外柜周围的外部环境温度,Tsky户外柜远处的环境温度,Ro户外柜外表面的总热阻,、WRconv户外柜外表面的对流热阻,/WRrad户外柜外表面向周围环境及大气的辐射热阻,/WRi-户外柜外内表面的热阻,/Wsol-户外柜表面的太阳辐射吸收率 具体计算方法按照表3提供的小程序即可快速计算出冷却所需的净热量Qnet。表3 太阳辐射热负荷计算表Sun Load Calculation for the Outside CabinetSolar radiatio

18、n parametersSolar radiationSolar tensity:1120Sunshine or Shadow AreaArea sunshine:1.8Area shadow:1.44CoefficientAbsorbtance of the outter surface:0.2Emittance of the outter surface:0.9Constant CoefficientStefan-Boltzmann Coefficient5.67E-08Input ParametersDimensions of the CabinetWidth:600Depth:600H

19、eight:1200Heat Transfer CoefficientOutside natural convection coefficient:3Inside forced convection coefficient:40Ambient TemperatureOutside ambient temperature:40Inside ambient temperature:55Cabinets Wall PropertyThickness of the outside plane:3Heat conductivity of the outside plane:180Thickness of

20、 the insulated material:7Heat conductivity of the insulated material:0.033Ouput ParametersTemperature of the Wall Inside temperature of the wall Tinside-wall :55.56Outside temerature of the wall Toutside-wall :60.34Temperature of the Wall Inside temperature of the wall Tinside-wall :53.911E-07Outsid

21、e temerature of the wall Toutside-wall :44.640.0 Sun LoadAbsorbed heat from the sun:403.20403.2Convection heat transfer to the ambientSunshine side:109.84Shadow side:20.05Rediation heat transfer to the ambientSunshine side:252.83Shadow side:42.84Heat transfer in the cabinet from the sun in the sunsh

22、ine side:40.53Total amount of Heat Net Inrease from the sun to the cabinetQnet :Note:1When run this program, firstly fill in the input parameters and select the surface color of the cabinet, then wirte the data of right table to the C6 and C7. Secondly, make the value of D30 equal to the C30 by chan

23、ging the value of C27. Thirdly, make the value of D28 equal to D29, i.e 0.0, by changing the value of C29. Finally, enjoy the results at the line 35 or line 36.If this value is less than 0.0, that means the outter surface of the cabinet has so good heat transfer performance that it can decrease the

24、heat load of heat exchanger.5.3.4 系统前门及防尘网对系统散热的影响如果前门的进风口位置满足要求,并且进风面积足够,一般来讲,开门与关门有约2-5差异。 如果需在系统上加防尘网,即使采用粗效的防尘网,也将带来5-10的差异。5.4模块级的热设计5.4.1模块损耗的计算方法模块的损耗可由下式计算. Pdiss=PoutPdiss -模块的损耗,W Pout-模块的输出功率,W-模块的效率功率损耗Pdiss是由于发热器件的发热而引起的,这些发热器件包括开关管MOSFET,IGBT,整流管整流二极管及FRED,滤波电感,变压器以及开关管的驱动等。5.4.2机箱的热设计

25、5.4.2.1机箱的选材如果需利用模块的机箱作为散热器,则模块机箱必须选用铝合金材料,且模块内壁不得进行拉丝处理,材料的厚度不得低于1.5mm。 如果不利用机箱进行散热,则模块机箱选材不受限制。5.4.2.2模块的散热量的计算5.4.2.2.1对密封机箱QT=1.86t1.25+4STm3T. S= Ss+St+Sb 如果计算出的散热量QT需求散热量Q,则必须选用通风机箱。5.4.2.2.2对通风机箱QT=1.86t1.25+4STm3t+1000uAT .QT -模块的耗散功率,W Ss机箱侧面内壁的有效面积,m2 St朹机箱顶部面积,m2 Sb-机箱的底面积,m2 t-风道进出口温差,斯波

26、尔兹曼常数,为5.6710-8W/m2.K-辐射系数 TmT+Ta/2 T-机箱的表面温度,K Ta环境温度,K u- 自然风速,一般取0.1-0.2m/s A-通风面积, m25.4.2.3机箱辐射换热的考虑对于自然冷却的机箱,大部分需承担散热器的功能,其表面温升一般较高,约25-40,其表面的辐射换热量在整个机箱的散热量中占有较大的比重,有些甚至成为主要的散热途径,所以,在进行机箱的散热计算时,不能忽略辐射换热,可按计算式-中提供的方法计算辐射换热,也可按下式进行计算：Q辐射4S.S机箱的有效面积,m2 斯波尔兹曼常数,为5.6710-8W/m2.K-辐射系数 Ts-机箱的表面温度,KTa

27、环境温度,K 必须牢记,电子设备由于温度不是太高,辐射波长相当长,处于不可见的红外区。而在红外区,一个良好的发射体也是一个良好的吸收体, 所以在考虑机箱的辐射换热时,必须同时考虑机箱表面辐射吸收的热量及机箱表面辐射散出的热量。对于模块,基本处于室内,不涉及太阳辐射的问题,如果模块周围没有温度高于模块的物体,其机箱表面吸收的辐射热量可以不考虑,只需考虑机箱表面的散热量,所以机箱表面的实际辐射散热量对于机箱表面辐射散出的热量。Q实际辐射Q辐射散热如果模块周围有温度高于模块的物体,其机箱表面吸收的辐射热量必须考虑,机箱表面的实际散热量按式计算：Q实际辐射Q辐射散热Q辐射吸热5.4.2.4机箱的表面处

28、理从热设计角度,无论机箱还是散热器,不推荐表面进行任何处理,额外的表面处理对辐射散热贡献较小,却增加了产品成本。5.5单板级的热设计5.5.1选择功率器件时的热设计原则5.5.1.1在其它性能参数相同的情况下,应优先选用允许结温Tj高的功率器件根据供应商手册提供的数据进行筛选。5.5.1.2 在其它性能参数相同的情况下,应优先选用结壳热阻Rjc较小的功率器件。5.5.1.3 在其它性能参数相同的情况下,优先选用封装尺寸较大的功率器件,以减小器件与散热器间的接触热阻Rcs。5.5.1.4 对于MOSFET器件,在结壳热阻Rjc相近的条件下,应优先选用25下RD较小的器件。5.5.1.5对于IGB

29、T器件,在结壳热阻Rjc相近的条件下,应优先选用相同门极电阻下开关能量较小的器件。5.5.2元器件布局的热设计原则5.5.2.1电阻的散热一般是通过固定连接片或引线两端的传导以及本身的辐射,对流进行散热的,所以电阻表面应涂覆无光泽的粗糙漆,放置位置应便于对流散热并加大与其它元件之间的距离。5.5.2.2 对不加屏蔽罩的变压器,铁芯与支架、支架与固定面之间应有良好的接触,以使接触热阻最低;对带屏蔽罩的变压器,外罩必须与固定面良好接触,把变压器的固定面用支架垫高,并在底板上开通风孔,以形成气流对流。5.5.2.3 对模块内部不能够吹到风的PCB板,在布置元器件时,元器件与元器件之间,元器件与结构件

30、之间应保持一定距离,以利空气流动,增强对流换热.5.4.3.3.1对相邻的两垂直发热表面,d/L=0.25,如图3-所示。5.4.3.3.2对相邻的垂直发热表面与冷表面间距,dmin=2.5mm,如图3-所示。5.4.3.3.3 对邻近的水平发热圆柱体和冷的上表面之间,d/D=0.85,如图3-所示。5.4.3.3.4 对邻近的水平发热圆柱体和冷的垂直表面之间,d/D=0.7,如图3-所示。5.4.3.3.5 对邻近的水平发热圆柱体和冷的水平底面之间,d/D=0.65,如图3-所示。 图3 自然对流时元器件排列的距离关系5.4.3.4 在PCB上布置各种元器件时,应将功率大、发热量大的元器件放

31、在边沿和顶部,以利于散热。5.4.3.5应将不耐热的元件放在靠近进风口的位置,而将本身发热而又耐热的元件放在靠近出风口的位置。5.4.3.6 在PCB上布置各种元器件时,应将功率大、发热量大的元器件放在出风口的位置。5.4.3.7 对热敏感元件,在结构上应采用热屏蔽方法解决。5.5.3元器件的安装元器件的安装应尽量减少元器件壳与散热器表面间的热阻,即接触热阻。5.5.3.1 为尽量减小传导热阻,应采用短通路,即尽可能避免采用导热板或散热块把元器件的热量引到散热器表面,而元器件直接贴在散热器表面则是最经济、最可靠、最有效的散热措施。5.5.3.2 为了改善器件与散热器接触面的状况,应在接触面涂导

32、热介质,常用的导热介质有导热脂、导热胶、导热硅油、热绝缘胶等。5.5.3.3 对器件须与散热器绝缘的情况,采用的绝缘材料应同时具有良好的导热性能,且能够承受一定的压力而不被刺穿,详见5.5.4。5.5.3.4把器件装配在散热器上时,应严格按照我司TS-S0E0102012大功率管安装设计工艺规范中提供的安装压力或力矩进行装配,压力不足会使接触热阻增加,压力过大会损坏器件。5.5.3.5 将大功率混合微型电路芯片安装在比芯片面积大的钼片上。5.5.3.6 对于多层印制线路板,应利用电镀通孔来减少通过线路板的传导热电阻。这些小孔就是热通路或称热道。5.5.3.7 当利用接触界面导热时,采用下列措施

33、使接触热阻减到最小。5.5.3.7.1 尽可能增大接触面积。5.5.3.7.2 确保接触表面平滑。5.5.3.7.3 利用软材料接触。5.5.3.7.4 扭紧所有螺栓以加大接触压力。5.5.3.7.5 利用合理的紧固件设计来保证接触压力均匀。5.5.4导热介质的选取原则为了解决功率器件与散热器间的电气绝缘问题,功率器件与散热器间应加导热绝缘材料,考虑到性价比,在散热条件不是很恶劣,如功率器件损耗较小或功率器件处于有利的通风位置时,可选用通用的导热绝缘材料SP400,其它条件下可选用散热性能较好的SP900S,只有在特殊情况下,才允许选用SP2000。其性能参数如表4所示表4 常用热界面材料性能

34、参数表材料Sil-pad2000Sil-pad900SSil-pad400陶瓷基片材料厚度0.250.0250.230.0250.230.0250.630.025导热系数W/m.k3.51.60.927单位面积热阻-cm2/W1.292.64.61.2使用温度-60180-60180-60180-60180材料构成硅橡胶/玻璃纤维硅橡胶/玻璃纤维硅橡胶/聚脂薄膜陶瓷三氧化二铝实测热阻值0.40.60.90.35实测热阻值是在采用TO247封装,在紧固压力为12Kg.cm下测得的。5.5.4.1 由于陶瓷基片在安装时容易碎裂,所以不推荐使用陶瓷基片。5.5.4.2 对于输出部分,由于总是处于出风

35、口的位置,一方面通过其功率管表面及散热器表面的风均为热风,另外输出二极管部分后面总会有输出共模电感或差模电感之类的体积较大的器件,影响出风,所以该部分的散热条件总是比较恶劣,为了减小散热器的压力,可考虑采用散热器悬浮的方法去掉功率管与散热器间的导热绝缘膜,使功率管直接贴在散热器上。5.5.4.3 为了便于安装,导热绝缘膜可考虑选用单面背胶的方法解决导热绝缘膜的定位问题,即先将导热绝缘膜粘在安装位置,再进行功率管的安装与紧固。但必须注意,导热绝缘膜背胶会增加其热阻,由于胶不是良好的导热介质,一般情况下,热阻会增加3040,所以,在热设计时需考虑该部分的冗余。5.5.4.4 我司推荐的大部分导热绝

36、缘材料均采用硅橡胶为基体,质地较软,因此,在安装时不需要涂硅脂；只有少数材料如SP400、SPK10、陶瓷基片等质地比较硬的材料必须涂硅脂,要求硅脂必须涂敷均匀,硅脂层厚度小于0.15mm。5.5.5 PCB板的热设计原则PCB板热设计的主要任务是有效地把印制板上的热引导到外部。5.5.1 印制线的载流容量和温升设计印制板时要保证印制线的载流容量,印制线的宽度必须适于电流的传导,不能引起超过允许的温升和压降。在实际应用中,常有较大电流流过输出端铜箔,如果输出铜箔设计的过细,则会导致铜箔的温度上升。印制电路板的材料、导电铜箔的厚度、容许温升将影响到铜箔厚度应该多宽、能承受多大电流。一般对1盎司的

37、环氧玻璃板,如果允许温升小于10 ,则一般可按1A电流取1mm宽铜箔的经验数据进行铜箔设计。如假如流过的电流为5A,对1盎司的环氧玻璃板,其铜箔宽度可取5mm。实际可按照容许温升的大小按照图4进行选择。图4 1盎司环氧玻璃板电流与铜箔宽度的关系图, 需提醒的是,不同的基板材料生产厂家,不同的基板材料,则图3显示的电流与铜箔的关系是不相同的。可通过实验进行确定。5.5.2 印制板的散热5.5.2.1 选用厚度大的印制线,以利于印制线的导热和自然对流散热。5.5.2.2减小元器件引线腿及元器件引线间的热阻,增强元器件引线腿对印制线的热传导,增强导电性。5.5.2.3当元器件的发热密度超过0.6W/

38、cm3,单靠元器件的引线腿及元器件本身不足充分散热,应采用散热网、汇流条器等措施。5.5.2.4若发热密度非常高,则元器件应安装散热器,在元器件和散热材料之间应涂抹导热膏。5.5.2.5以上措施仍不能充分散热时,就应采用热传导性能好的印制板,如金属基底印制板和陶瓷基底印制板。5.5.2.6 对塑封器件和SMD封装的元器件,通过管脚散热成为主要的散热器途径之一,其热设计应满足以下原则：l 加散热铜箔和采用大面积电源地铜箔,以加大PCB的散热面积,如图5所示 图5: 改善管脚侧散热的措施之一l 散热焊盘由过孔连接到内层夹心层进行散热和热平衡图6: 改善管脚侧散热的措施之二5.5.2.7 PCB焊盘

39、的隔热设计 较大的焊盘及大面积铜皮对管脚的散热十分有利,但在过波峰焊或回流焊时由于铜皮散热太快,容易造成焊接不良,必须进行隔热设计,常见的隔热设计方法如图7所示图7: 焊盘的隔热设计5.5.6安装PCB板的热设计原则自然冷却条件下,对设备内有多块PCB板时,应与进风方向平行并列安装,每块PCB板间的间距应大于30mm,以利于对流散热。5.5.7元器件结温的计算为保证元器件的安全散热,需要校核元器件的结温是否工作在安全温度下,首先得获得如下数据：元器件的耗散功率Q额定值,结点junction的安全工作温度范围Tjmax最大值和推荐值,结至冷却空气热阻Rja,结至壳热阻Rjc,结至板热阻R,封装方

40、式,散热表面外形尺寸以上参数一般在元器件供应商提供的用户手册中可以查到,PCB板的层数,流过元器件的空气温度和速度由系统级估算获得,工作结温按下式进行计算：5.5.7.1元器件背有散热器 对于带铜板封装的大功率元器件,其热量通过环氧表面 、管脚及铜板共3个渠道传递出来,由于结到环氧表面、结到管脚的热阻较大,所以通过铜板的传热为主要的传热途径,如果铜板所贴的散热器热阻足够小且流过环氧表面的风速小于1m/s,则通过其它两种路径的传热基本可以忽略,在已知散热器台面温度Ts下 , 器件的工作结温为：Tj=Ts+ PTRth0.8Tjmax PT-元器件的热损耗,WRth-元器件结到散热器表面的热阻,/

41、W 对于无铜板的塑封器件,其热量通过环氧表面 、管脚共2个渠道传递出来,元器件不仅通过表面对流散热,还通过PCB板的导热传递热量。PCB的各层信号层、地层和电源层都铺有大面积的铜,综合的导热系数比较高,整个PCB板就象是一块大的平板散热器,具有热量均匀化的作用。所以应尽量减小结至板的热阻,如BGA封装有大量钢珠直接和板接触,热阻比QFP的封装方式小。一般较难计算散热量在这两条散热路径表面对流与PCB导热上的分配比例,但经验表明对于BGA和QFP这样的封装,表面无散热器时,PCB导热量将占总发热量的50%或以上,表面加散热器时,表面热阻大幅降低,则PCB导热量将减小为很小一部分。5.5.7.2

42、元器件无散热器如果已知结到环境的热阻,环境温度,则器件的工作结温为：Tj=Ta+ PTRth 5.6散热器的选择与设计5.6.1散热器需采用的自然冷却方式的判别对通风条件较好的场合,散热器表面的热流密度小于0.039W/cm2可采用自然冷却。对通风条件较恶劣的场合：散热器表面的热流密度小于0.024W/cm2可采用自然冷却。5.6.2自然冷却散热器的设计要点5.6.2.1考虑到自然冷却时温度边界层较厚,如果齿间距太小,两个齿的热边界层易交叉,影响齿表面的对流,所以一般情况下,建议自然冷却的散热器齿间距大于12mm,如果散热器齿高低于10mm,可按齿间距1.2倍齿高来确定散热器的齿间距。5.6.2.2自然冷却散热器表面的换热能力较弱,在散热齿表面增加波纹不会对自然对流效果产生太大的影响,所以建议散热齿表面不加波纹齿。5.6.2.3自然对流的散热器表面一般采用发黑处理,以增大散热表面的辐射系数,强化辐射换热。5.6.2.4由于自然对流达到热平衡的时间较长,所以自然对流散热器的基板及齿厚应足够,以抗击瞬时热负荷的冲击,建议大于3mm以上。散热器基板厚度对散热器的热容量及散热器 热阻有影响,太薄热容量太小,太厚热阻反 图8 散热器基板厚度与热阻的关系曲线而增加,图8表示出了基板厚度的最 佳范围。对分散式散热来将,基板厚度一般为3-6mm为