热设计的基础知识与规范

热设计

图4-4风扇的串联特性曲线
4.3.4在实际安装情况下风扇特性曲线的改变
　　风扇安装在系统中，由于结构限制，进风口和出风口常常会受到各种阻挡，其性
能曲线会发生变化，如图4-5所示。由图中可以看出，风扇的进出风口最好与阻挡物有
40mm的距离，如果有空间限制，也应至少有20mm。
图4-5风扇特性曲线随阻挡物的距离发生的变化

4.3.5风扇的噪音问题
　　风扇产生的噪音与风扇的工作点或风量有直接关系，如图4-6所示，对于轴流风扇
在大风量，低风压的区域噪音最小，对于离心风机在高风压，低风量的区域噪音最
小，这和风扇的最佳工作区是吻合的。注意不要让风扇工作在高噪音区。

　　风扇进风口受阻挡所产生的噪音比其出风口受阻挡产生的噪音大好几倍，所以一
般应保证风扇进风口离阻挡物至少30mm的距离，以免产生额外的噪音。
　　对于风扇冷却的机柜，在标准机房内噪音不得超过55dB，在普通民房内不得超过65dB。
　　对于不得不采用大风量，高风压风扇从而产生较大噪音的情况，可以在机柜的进
风口、出风口、前后门内侧、风扇框面板、侧板等处在不影响进风的条件下贴吸音材
料，吸音效果较好的材料主要是多孔介质，如玻璃棉，厚度越厚越好。
　　将风扇框置于插框之间比置于机柜的顶部或底部时噪音将略低，即插满单板或模
块的插框有部分消音作用。
　　有时由于没有合适的风机而选择了转速较高的风机，在保证设计风量的条件下，
可以通过调整风机的电压或其他方式降低风扇的转速，从而降低风扇的噪音。当风机
的转速n变化不超过±10%时，相应的噪音降低变化为
式中n2为原转速，n1为调低后的转速。

图4-6风扇噪音随风量的变化
4.4机柜/箱强迫风冷设计
　　对系统进行初步的热分析，先根据结构情况依据4.1的原则进行风道设计。然后估
算机箱冷却所需的空气流量和相应的压降，据此进行风扇的选型和确定风扇的个数。
根据风扇的位置和风道情况，将发热元件和热敏元件尽可能地布置在合适的位置，保
证这些位置的风速较高，避开回流区和低速区。然后对具体热流密度比较高的器件进

行温升校核计算（见第五章），必要的话进行散热器设计（见第5章）。机柜/箱级计算的步骤如下：
第一步：确定风道形式和风道尺寸，了解系统总热耗Q和各单板热耗Qi，环境温度Ta。
第二步：估计机柜/箱空气进出口温差。经验表明机柜直通风道
的一般在8℃~15℃，台式机箱或插框单独风道的一般在5℃~10℃。然后由下式
计算冷却空气的体积流量，即风量（m3/s）(4-2)
为空气的定压比热，常温下为1005W/kg℃。为空气密度，常温下为1.16kg/m3。
Q为系统总热耗（W）。
　　粗略估算时由上式即可获得所需风量。除以风道流通截面积即可获得平均风速。
对于机柜插框单板间的风速，经验表明，一般在1m/s~2m/s之间。如果功耗较小，有时
仅需0.5m/s，如果功耗很大时，有时需要2~3m/s。
第三步：根据风道结构与单板阻力情况和空气流速，估算空气总压降。空气局部压降
的计算公式为(4-3)
为速度头，空气速度v由流量和风道横截面积计算，为局部压力损失系数，由实
验确定或凭经验估计。
第四步：根据估算获得的单板风速和空气温升进行主要大功率元器件与热敏元件的温
升校核计算，具体见第五章。如果部分元器件无法满足散热要求，则需要提高风速，
增加风量，或进行电气或结构方面的方案改进，或增加散热器，直到所以元器件的温
升均满足要求为止。

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第五章单板元器件安全性热分析

5.1元器件温升校核计算
　　4.4节中确定的风量仅仅是根据经验获得的大致估算值，为保证元器件的安全散
热，需要具体校核大功率元器件与热敏元件的结温在强迫风冷下是否工作在安全温度
下，首先得获得如下数据：所以较大功率元器件的耗散功率Q（额定值），结点
（junction）的安全工作温度范围（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Rjb，封装方式，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4.4节系统级估算获得）。考察结温是否满足下式
（Tj=Ta+&#1048580;Ta+Q%Rja<Tj,max（5-1）
　　式中环境温度Ta的取值应取通信产品相应环境标准中规定的最高温度或国外同类
产品的最高工作温度，一般室内设备可取50℃或45℃，室外设备取55℃。空气温升根
据风量和总功耗确定。
　　如果没有提供Rja，就需要运用经验公式计算芯片表面换热系数，并根据器件的表
面散热量计算壳体温升(5-2)
式中Q为通过壳体表面的散热量/W，A为表面换热面积/m2，h为表面换热系数/W/m2
℃，用下式求出(5-3)
式中b和m为实验系数，D为特征尺寸，由表5-1查出；为空气的导热系数/W/m℃；
Re为雷诺数。壳体到结点的温升由下式计算
Δtjc=QRjc(5-4)
最终，计算出的结点温度必须满足下式
Tj=Ta+ΔTa+Δtca+Δtjc<Tj,max(5-5)
　　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。

　　有时尽管可根据热阻参数或经验估算获得元器件各自的结温，但热阻参数实际是
在标准的测试安装条件下获得的，实际各种元器件布在单板上时相互间散热会有一定
影响，例如几个大功率的芯片布置在较近的距离散热会比较恶劣，实际温升会比计算
值高。而且铺铜层数也会不一样。所以最好在布板的同时，建立单板热分析仿真模
型，现在热仿真软件已具有EDA软件图形文件的接口，将*.idf文件转换为几何模型，
然后输入各器件的发热量和单板的层数以及来流风速和温度，即可计算出单板的温度
分布与元器件温升，确认设计的安全性。利用仿真模型还可以考虑系统风道产生的回
流或不均匀流场对单板散热的影响。
　　如果经过热阻参数或仿真计算确定元器件结温超过其最大值，则要考虑安装散热
器，具体设计选型方法见5.3节。

注：A为Reiher的研究结果，B为Hilpert的研究结果
算例一：一个2N2905晶体管（TO-5壳体尺寸）在稳定功率条件下，在50℃的环境中耗
散功率0.25W，结点到壳体的热阻为33℃/W，晶体管在90℃结温下能正常工作。晶体
管安装在电路板上，如图所示，当掠过晶体管的空气速度为1.3m/s时，求晶体管能否
正常工作。
解：
查得50℃时空气的物性参数为。晶体管的
水力直径为，用下式计算雷诺数
雷诺数在40~4000之间，从表1中查得，代入方程2得晶体管的表面换热面积
这种封装方式下仅三根细导线与单板相连，通过单板的导热量可以忽略，则晶体管表面的温升为
结点到壳体的温升为晶体管的结点温度为
所以在1.3m/s的冷却空气流速下可以保证晶体管正常工作。
5.2元器件的传热分析
5.1.1对于独立半导体器件，热源一般在PN结处。热量从PN结出发通过热传导传至半
导体外壳。热量在外壳处以三种方式继续向外传播。

5.1.1.1以辐射方式传向空气
5.1.1.2以对流方式传向空气
5.1.1.3以传导方式传向附加散热器或通过管脚（或引线）传向PCB板
5.1.1.4热量在散热器或PCB板处以辐射和对流方式传向空气
　　传入空气的热量在机箱内以自然或强迫对流方式传出机箱外，完成散热的历程。
并在一定条件下达到热平衡。
5.1.2对于集成电路、大规模集成电路、微波半导体器件、混合半导体器件等，是多
PN结元器件，热量从PN结发出后互相作用再传向外壳或基板（或衬底）。
5.3散热器的选型参数的确定
　　元器件安装散热器后，主要散热路径是将热量由壳体传导给散热器，由散热器通
过对流的方式与冷却空气换热。在散热器选型设计时，可以先忽略通过与PCB板的接
触传导的热量，这本身将给设计留有一个裕度。
　　热阻、温升、散热量三者的关系可通过图5-1的热电类比图清楚地表达

图5-1元器件-散热器组装热阻网络简化图
Qt--------------元器件的典型热耗，W。
Tj--------------元器件的结温（Junctiontemp.），即发热源的温度，℃。
Rjc--------------结到壳体的热阻，℃/W。
Rcs--------------壳体到散热器之间的接触热阻，℃/W
Ts--------------散热器基板的温度，℃。
Rsa--------------散热器的热阻，℃/W。
Ta--------------冷却空气的温度，℃/W。

由上图可以得出如下关系式
(5-6)
其中Qt和Rjc由芯片厂商提供，要使Tj<Tj,max，必须满足下式
Rsa+Rcs<(5-7)Tj,max−Ta
Q−Rjc
　　只要接触良好，一般接触热阻较小。接触面积、接触压力、接触介质导热系数越
大，接触介质厚度越薄，接触热阻越小。一般可在接触面涂上导热硅脂，或垫一层铝
箔，或使用导热绝缘双面胶降低接触热阻。对于一般的24X24左右的芯片，表面涂有
均匀的薄层导热硅胶，接触热阻可以取0.5℃/W。
　　在其他参数已确定的情况下，由式5-7计算出散热器的热阻，即可进行选型。一般
国外的散热器供应商会提供散热器的强迫风冷热阻特性曲线，如图5-3所示
200400600800
风速(LFM)

图5-3奔腾166芯片散热器热阻特性曲线
LFM为英制单位in/min，200LFM约为1m/s。根据系统情况，估计或估算流过单板的风
速（对于一般的标准插框，如果使用直径120mm的风扇，风速一般在1~2m/s左右；如
果使用小风扇，风速一般为0.5~1.5m/s），查得对应的热阻值是否满足要求，如果过
大，则需选择更大的散热器。公司目前使用的散热器一般为国内外协厂加工，厂家没
有风洞设备，不会提供热阻曲线，选用时可以运用热仿真软件计算其散热能力，只要
提供的热耗准确，一般可以获得准确的温升结果。
5.4散热器选用和安装的原则
5.4.1散热器与元器件接触的安装平面应光滑平整，以使与元器件有良好的紧密接触。
必要时在结合面间可加导热胶、导热脂、导热垫等，以消除间隙对传热的不良影响。

5.4.2一般应尽量选用公司已有编码的散热器，以及生产厂家的现有标准型材制造。若
重新设计，其结构工艺性和经济性要好。
5.4.3散热器配置应便于机柜内换热空气的流通。减缓对空气的过大阻碍，使机柜内换
热空气的流通比较均匀。但重点散热元器件处应有较大的流速。靠自然对流换热时，
散热肋片长度方向取垂直于地面方向。靠强迫空气散热时，应取与气流方向相同的方
向。
5.4.4在空气流通方向上，不宜纵向近距离排列多个散热器，由于上游的散热器将气流
分开，下游的散热器表面风速将很低。应交错排列，或将散热翅片间隔错位。
5.4.5散热器与同一块电路板上的其它元器件应有适宜的距离，通过热辐射计算，以不
使其有不适宜的增温为宜。

[本帖最后由热设计于2007-5-1814:27编辑]

热设计

第六章通信产品热设计步骤
　　针对公司产品情况和目前热设计的状况，初步拟定产品热设计的步骤如下：
1.必须在产品开发阶段即介入热设计工作。
2.在制定产品系统硬件规格需求与总体方案时期，热设计人员了解产品的定位、主要
配置与大体功耗，与项目组共同制定产品热设计要求与任务。同时收集国内外同类
产品的相关资料，了解竞争对手的设计情况。系统集成方案讨论时，参与制定系统
的配置与空间安排。与结构设计人员共同制定风道初步方案。
文档输出：《产品开发热设计总体方案》
3.单板硬件详细设计时，项目经理与单板开发人员需向热设计人员提供如下信息：
3a系统总功耗
3b各插框与模块的总功耗
3c各单板与模块的功耗
3d单板上发热量较大的元器件与热敏元器件的热设计参数：典型功耗与最大功
耗、工作效率、长期稳定工作的最大结温或表面温度、热阻参数（Rja,Rjc,Rjb
）、封装方式、表面尺寸、原配散热器热阻曲线。这些参数一般可以从所选元器件
的用户说明书（PDF文件）中查到。
3ePCB板的初步布局，3d中的元器件可能布置的位置
文档输出：系统到器件的各相关文件
4.结构设计人员向热设计人员提供如下内容：
4a机柜/箱的总体尺寸
4b功能模块占用的空间\可用于风道设计或温控器件的空间
4c机柜在防尘、屏蔽方面的考虑和进出风口的可能位置
4d插框内槽位间距、横梁厚度深度等与热设计相关的结构参数
5.热设计人员与结构设计人员共同制定详细风道方案
6.根据总体功耗进行简单估算，初步进行风扇选型；然后建立初步简化的热分析模型
进行计算，优化风道结构，了解大致流场和风速。
7.根据风道的流场分布与热设计原则对PCB板关键元器件的布置提出可行的建议，必
要时可以建立单板热分析仿真模型，在满足功能设计的前提下，尽可能优化器件分
布，避开死区与回流区，同时确认元器件的散热安全性。
8.根据3d提供的参数与估算的大致风速，对有必要安装散热器的元器件进行散热器选
型设计。对于热流密度特别高或散热器安装空间不足的情况，可以考虑采用其他增
强散热的技术，如冷板、热管等

9.根据具体设计情况建立系统的复杂模型或分解模型与元器件散热的详细模型，进行
热分析计算，预测器件温升，完善与优化设计
10.热设计方案内部(机电工程部)评审
11.热设计人员向项目组提供详细的热设计方案及文档，尽量有后备方案。
12.准备实验方案，建立物理模型或使用样机进行热测试，验证热设计效果。
文档输出：《产品样机热测试报告》
13.根据热测试结果进行最终的优化分析与设计
14.根据产品应用标准进行样机高温环境箱功能测试，进行最终把关
15.机电工程部内部汇报与交流

附：
一、热设计仿真软件介绍：
　　该种软件运用计算流体力学（CFD）原理对电子系统结构进行三维流场和温度场
计算，可获得任意局部的流速、温度和风压，可进行机柜系统级、单板级到元器件级
的综合热分析。具体可帮助热设计工程师解决如下问题：
1.实现通风风扇与风道阻力特性的匹配选型设计。在充分实验工作了解了机柜中典型
模块（各类典型单板插框、配电箱、屏蔽板、防尘板、进出通风口等）的阻力特性经
验参数后，输入到仿真软件的阻力边界条件中，软件会根据风扇的性能曲线结合计算
出的风道阻力计算其工作点，获得流量、压降与风速。只要前期实验工作充分，软件
计算结果可以可靠地指导设计工作。
2.可在方案初期通过仿真预测，论证散热方式的可行性。
3.可比较不同的风道设计、风扇与通风口的位置与尺寸、相邻单元或单板的距离、模
块结构布局等方案下系统的相对散热情况，指导设计人员获得最佳方案。也可帮助设
计人员避免不当的通风结构布置。
4.可了解风道中大致的流场分布，发现回流与低速区，指导风道结构的改进设计，也
可为元器件布板人员提供参考，优化关键器件的位置。
5.可优化散热器的形状和尺寸，获得其热阻参数，便于其选型设计。
6.在积累了足够的实践经验后，如果提供的功耗等输入参数比较准确，可以比较准确
地预测元器件的大致温升，在样机制造前即避免热设计的不当之处，并进行模拟优
化，减少实验的反复工作和开发周期，提高产品竞争力。这项工作可分两步走，先通
过系统级计算获得单板的边界条件（空气风速和来流温度），然后再对单板进行具体
细节分析，获得具体器件的温升。
二、参考文献
1.GJB/Z27-92，电子设备可靠性热设计手册，1992年7月18日发布
2.电子设备冷却技术，D.S.斯坦伯格，傅军译，航空工业出版社，1989
3.“EquipmentFansforElectronicCooling,FunctionandBehaviorinPractical
Application”,SiegfriedHarmsen,Verlagmoderneindustrie,1991
4.“ThermalAnalysis&DesignProcess”,AppliedThermalTechnologies,Inc.1992

注：由于本资料是从网上下载的PDF档，排序也比较混乱，文档很大，也有一部分说明无插图，所以就不上传附件了，

我将内容拷出来后整理了一下。对于楼上的几位要求发邮件就不发了。这应该是某一公司内部写的热设计规范。

可能不是很全，但是写的还不错，也希望可以在这里和大家交流一下热设计相关的。

hkun424

斑竹确实是无私的人啊，我想这样才能发展新人，创建梯队，才会是可靠性人才得到合理发展，这是一个非常好的良性循环。呵呵，谢谢斑竹。

hkun424

哪位前辈还有这样的设计规范可以共享一下么？

热设计

也曾经写过类似的热设计规范，但由于毕竟是在公司里面，可能也无法传出来共享。

如果大家有相关的问题，倒是可以讨论讨论

热设计

原帖由hkun424于2007-5-1817:25发表
我想这样才能发展新人，创建梯队，才会是可靠性人才得到合理发展，这是一个非常好的良性循环。呵呵。

可靠性事业需要大家的添砖加瓦。。。

hukee

你的那个4版本的flotherm文件我看了,是熟悉软件的，不过这个到是比较好。
ps：你写的规范传给我把，。

techone

感谢楼主，分享资料，

llsk

谢谢搂主分享