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赵惇殳-电子设备热控制技术

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热控制技术趋势
  随着MCM,高密度组子组装技术的发展,热流密度已高达每平方厘米300瓦。
  热控制技术随着热管高效传热技术,低热阻技术,微通道技术,TEC,CATA等技术的
成熟与发展,正处在一个技术革新的关键时期。


电子设备热设计目的
为芯片级、元件级、组件级及系统级提供良好的热环境保证芯片级、元件级、组件级及系统级的热可靠性
防止电子元器件的热失效

电子设备热环境
环境温度和压力(或高度)的极限值及变化率太阳或周围物体的辐射值地面设备:周围空气温度、湿度、气压、空气流速,周围物体形状和黑度,日光照射
冷却剂种类可利用的热沉
机载设备:飞行高度、飞行速度、安装位置,有无空调舱,周围空气温度、速度等
舱船设备:周围空气温度、湿度,有无淡水,舱室温度,日照情况等

热控制(设计)基本要求
满足可靠性要求(基本失效率,温度T,和电应力比s,GJB/Z299)
满足热环境的要求
与维修性设计相结合,易维修与电路设计同时进行
满足对冷却系统的限制要求根据t 、、MTBF
经济性、安全性等,选择冷却方法 尺寸、重量、冷却所需功、

 

热控制(设计)基本原则
保证良好的冷却功能(可用性与微气候)
保证可靠性
良好的经济性(性价比)
良好的维修性
有良好的适应性(相容性)

电子设备热分类
(1)按冷却剂与被冷却元器件之间的配置分
(a)直接冷却(b)间接冷却
(2)按传热机理分类自然冷却
(a)敞开式(b)有机壳(c)密封,内部自然对流

(d)密封,内部强迫对流(e)内部自然对流,增压(f)内部强迫对流,增压强迫冷却
(a)直接冷却(b)直接冷却(c)有热交换器强迫冷却

蒸发冷却
(a)喷雾冷却(b)喷雾蒸发冷却
(c)有热交换器喷雾冷却(d)有热交换器蒸发冷却

冷板传热
电子设备热控制(设计)理论基础 传热学( 数值传热学,计算传热学)
流体力学( 阻力计算)
辐射 对流 导热

接触热阻
接触界面处的热流量是经接触面(或点)的导热和间隙空间里介质的换热进行传递的。由于间隙小而界面温差不大,对流难以发生,通常间隙中的辐射非常小,可以忽略不计。因此,接触界面的热阻由局部接触面上的导热热阻和间隙中的介质导热热阻所组成。假设两接触面的近似接触面积由两接触材料之间的实际接触面积和没有接触的间隙面积所组成,则=+。若有效非接触空间的厚度为,两接触表面的不规则高度为,则通过接触界面的热流量由两部分组成.

式中t1,t2——表面1和表面2接触界面的温度;
  k1,k2——表面1和表面2材料的导热系数;
  k f——间隙中介质的导热系数。

接触热阻的影响因素
接触表面接触点的数量、形状、大小及分布规律
接触表面的几何形状(波纹度和粗糙度)
接触表面的硬度
间隙中介质种类(真空、液体、气体等)
非接触间隙的平均厚度
接触表面的压力大小
接触表面的氧化程度和清洁度
接触材料的导热系数
减小接触热阻的方法
加一薄紫铜片或延展好的高导热系数材料
加低熔点合金(铟合金)
提高界面间的接触压力( ) 2 200 cm 3 
在接触表面涂一薄层导热脂(膏)

导热膏(脂、胶)
1.SZ(中温)高效导热脂 导热系数:k=0.467w/m·c
2.GWC型导热胶 导热系数:k=0.5w/m·c
3.GB-51导热脂 导热系数: k=0.7w/m·c
4.L-11导热绝缘胶 导热系数: k=1.1635w/m·c

对流换热影响因素
流体流动发生的原因(自然对流与强迫对流)
流体流动的状态(层流与紊乱流)
换热面的几何形状和位置(平板,圆管,肋面
与横放,竖放,水平或垂直等)
流体的物理性质(导热系数,比热,密度,黏度等)
辐射换热的基本定律
普朗克定律
四次方定律
基尔霍夫定律
实际物体的辐射和吸收
黑体的辐射
角系数
交叉线法

普朗克定律
  普朗克定律揭示了黑体在不同温度下,辐射能按波长分布的规律,即的函数关系

实际物体的辐射和吸收
  实际物体的辐射力与同温度下黑体的辐射力之比叫做该物体的黑度

自然冷却设计原则
(1)提高设备内部电子元件向机壳的传热能力
(2)提高机壳向外界的传热能力
(3)尽量降低传热路径各个环节的热阻,形成一条低热阻热流通路电子设备自然冷却设计技术自然冷却设备的结构因素

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