电子产品热设计讲义书籍前言-后记-目录

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前言——新时代热设计工程师的路

电子产品中,元器件在实现各种功能的过程中需要消耗电能,由于电阻的存在,部分电能将会转化成热能,这就产生了温度问题。温度的过高或过低,都将影响产品的正常运行。随着电子产品的形态功能演进,其温度问题也日渐凸显。从传统的3C产品(计算机-Computer,通讯-Communication和消费电子产品-Consumer Electronic),到新兴的无人机、新能源汽车、人工智能硬件等产品,热设计工程师无不扮演着越来越重要的角色。

作为一门古老的学科,热物理学在人类历史的发展进程中起到了关键作用。第一次和第二次科技革命本质上都是能量利用方式,尤其是热能利用方式的变革。现今,信息技术的发展激发了半导体行业的飞速进步,人们正制造出功能越来越强大的设备,同时,这些产品的耗电量也在急速增加。据统计,2016年中国数据中心总耗电量超过1200亿千瓦时,这个数字甚至超过了三峡大坝2016年全年的总发电量(约1000亿千瓦时)。一个可能难以置信的事实是这其中很大一部分能量消耗实际上是用来控制温度的:数据中心制冷耗费的电能甚至占到了总耗电量的70%。电子产品热设计在节能环保方面的重要性可见一斑。不夸张地说,半导体行业的兴起,使得热物理学又有了新的使命。

合理控制温度是电子产品热设计的核心内容,但它绝不是热设计工作者应该考虑的唯一因素。在施加温度控制方案的过程中,设计师还必须考虑其它多方面的问题。以汽车热设计为例,设计师需要在特定空间、特定环境使用特定的成本可靠地解决温度控制问题。这其中,控制好温度只是基本目标。工程设计和学术课题研究存在的一个巨大差异就是它需要在成本、性能和可靠性之间找到一个最佳平衡点。有时候,即使是对于技术人员,仅靠理论知识和设计经验也仍是远远不够的。除了传热学和流体力学两个基本学科,电子产品热设计还涉及到工程控制学、结构力学、声学、材料学、电学和机械加工等多个学科,不同种类的产品所考量的因素也有巨大差异。随着产品热功率密度的日渐提升,温度问题愈发严峻,一个产品热设计方案的优异程度正对其整体性能表现有着越来越明显的影响。

除了涉及面广,现代产品的研发和更新迭代特征还对热设计师提出了更高的要求。热设计师必须对产品的温度表现有更为深度的洞察,理解传热学、流体力学等与热设计高度相关的理论知识,才能在不制作大量样品测试的情况下设计出合理的方案,从而应对日渐缩短的产品研发周期。不可否认的是,长期工作过程中积累的工程设计经验是十分宝贵的,合理运用这些经验可以避免很多损失,节省开发时间,尤其是通常可以更充分考量生产加工过程的便捷性。但设计师必须意识到当前产品的更新迭代速度。一种产品的形态可能在数年之内产生极大的变化(以手机为例,数年之间,键盘式手机已经几乎消失,取而代之的是大屏幕、超轻薄的智能手机),其对热设计提出的需求也必然随之产生剧变。同时,热设计相关的物料技术水平也在迅速发生着变化,如导热衬垫,2005年之前,导热衬垫导热系数通常在3W/m.K以下,到2017年,已有厂家可生产制造导热系数高达25W/m.K的高柔软度可回弹的衬垫;超薄热管也在2014年之前最薄1mm进步到2016年的0.4mm。因此,热设计师必须具备从工作经验中汲取设计思维,结合甚至推动当前最新的散热技术,不断提升自己解决温度问题的能力。固守既有的设计经验或设计方案,将面临被淘汰的危机。

在撰写热设计相关知识时,本书自始至终尝试将理论和设计方法糅合到实际的产品案例中,来传递热设计思路和方法,期望读者不仅获得书上所描述的热设计知识和经验建议,还能掌握产品热设计考虑方法,具备解决相关散热问题的能力。

作者水平有限,书稿虽几经审改,但其中错误与不足之处必不少见,恳请读者不吝赐教。

新的时代,新的机遇和挑战,热设计大有可为。期待你在本书中有所收获。

 

后记

感谢您阅读本书。

帮助读者快速、高效地掌握热设计技能,将本书所讲的理论、经验和方法用于解决实际工作中遇到的温度问题,是编写此书的核心目的。真切期望读完本书,您能有所收获!

由于国内没有类似的工程性热设计书籍作为参考,为检验其内容编排的合理性,在本书公开发布前,我基于书籍内容,陆续开发了多套培训教程。结合学员的反馈,对书籍内容进行了多次优化改进。其中一个值得特别提及的改动点是热仿真软件操作部分。我个人的体会是,太多人过于“迷信”热仿真软件的作用了,以至于绝大多数人对热设计技能的学习都弄反了顺序。几乎所有初学者或者想进入热设计行业的人,都想从学习热仿真软件开始。不能否认,热仿真的确非常有用,但学习软件操作对培养初学者的热设计能力几乎没有任何帮助。热仿真能力强绝不指娴熟于软件各项操作,其各类参数的物理意义、各种对象的热学简化处理以及对仿真结果的分析理解才是更难掌握的。设计者在掌握热设计基本概念和理论,熟知各类物料的特性之前就尝试学习仿真软件,往往会遇到无穷多的问题(某参数是什么意义,要不要设定,设置多少;某元器件如何建模,如何简化,是否可忽略),效率极低。但反过来,先尝试掌握基础的热设计知识和常见的设计准则,并深度剖析一些典型产品的热设计方法和优化思路,再去学习软件,却会进步神速。

基于上述原因,我对书稿进行了大幅修改,删除了绝大多数的仿真软件操作内容(软件详细操作仅在培训教程中保留),进一步丰富了设计理论、工程物料选型、设计方法归纳、实际案例分析等内容。

热设计技术是无止境的,我水平有限,仅仅勾勒出了热设计的知识脉络和常见思路。在撰写本书的过程中,我尽最大努力向读者传达了我对产品热设计思路和方法的理解,期望读者不仅能够掌握这些知识,还能领会到知识和设计之间的关联方式,真正习得解决温度问题的能力。电子散热在国内尚属新兴行业,但随着智能时代的来临,其需求正与日俱增。真切希望热设计行业越来越好!

祝君工作顺利,前程似锦!

 

目 录

前言——新时代热设计工程师的路·· V

目 录·· I

第一章 电子产品热设计的意义·· 8

1 温度对电子产品的影响·· 8

2温度对芯片的影响机理·· 10

2.1热应力和热应变·· 10

2.2腐蚀·· 11

2.3氧化物分解·· 11

2.4静态功耗·· 11

2.5电气性能变化·· 11

3热设计的目的和意义·· 12

4 本章小结·· 13

参考文献·· 13

第二章 热设计理论基础·· 14

1基础认知:热和温度·· 14

1.1 热动说和热质说·· 14

1.2 温度的物理意义·· 15

2 电子产品热设计理论基础——传热学·· 16

2.1热传导(heat conduction)·· 17

2.2热对流(heat convection)·· 19

2.3热辐射(thermal radiation)·· 21

3 电子产品热设计理论基础——热力学·· 23

3.1 热力学第一定律·· 24

3.2热力学第二定律·· 24

3.3热力学第三定律·· 24

3.4热力学第零定律·· 25

3.5理想气体定律·· 25

4 电子产品热设计理论基础——流体力学·· 26

4.1 流体的重要性质——粘性·· 26

4.2 流体压强——静压,动压和总压·· 28

4.3 流体流动状态——层流和湍流·· 29

附加阅读:导热系数的本质·· 30

5 本章小结·· 32

参考文献·· 32

第三章 热设计研发流程·· 34

1 需求分析·· 34

2 可行性评估——概念设计·· 35

3 详细设计和测试验证·· 36

4 发布与维护·· 36

5 本章小结·· 36

参考文献·· 37

第四章 散热方式的选择·· 38

1 散热方式选择的困难性·· 38

2 自然散热·· 40

3 强迫风冷·· 41

4 间接液冷·· 42

5 直接液冷·· 43

6 本章小结·· 44

参考文献·· 44

第五章 芯片封装和电路板的热特性·· 45

1 IC芯片封装概述·· 45

2 芯片封装热特性·· 46

2.1 芯片热特性基础·· 46

2.2 热阻的概念·· 47

2.3 芯片热特性的热阻描述·· 48

3.2 封装材料·· 52

3.3 热源尺寸·· 52

3.4 单板尺寸和导热系数·· 52

3.5 芯片发热量以及外围气流速度·· 53

4 实验测量时结温的反推计算公式·· 53

5 推荐扩展阅读——常见的芯片封装·· 54

6 印制电路板热特性及其在热设计中的关键作用·· 54

6.1 PCB热传导特点·· 55

6.2 散热角度认识PCB铜层的作用·· 56

6.3 热过孔及其设计注意点·· 57

7 本章小结·· 59

参考文献·· 59

第六章 散热器的设计·· 61

1散热器设计需考虑的方面·· 61

1.1发热源热流密度·· 61

1.2 元器件温度要求和工作环境·· 64

1.3产品内部空间尺寸·· 64

1.4 散热器安装紧固力·· 65

1.5 成本考量·· 65

1.6 外观设计·· 66

2 几种常见的散热器优化设计思路·· 66

2.1热传导——优化散热器扩散热阻·· 66

2.2对流换热——强化对流换热效率·· 67

2.3辐射换热——选择合适的表面处理方式·· 69

2.4 总结·· 70

3 散热器设计检查项·· 70

4 扩展阅读:散热器的生产工艺简介·· 71

5 本章小结·· 71

参考文献·· 71

第七章 导热界面材料的选型设计·· 72

1为什么需要导热界面材料·· 72

2 导热界面材料定义及种类·· 72

2.1导热界面材料定义·· 72

2.2导热界面材料的种类·· 72

3 导热界面材料的选用需要关注的属性·· 78

3.1 材料自身属性·· 78

3.2 应用场景因素·· 81

4导热界面材料的实例运用·· 81

4.1导热硅脂的实际运用·· 81

4.2导热衬垫的实际运用——小功率密度、绝缘要求高·· 82

4.3导热灌封胶的实际运用——户外防护·· 84

4.4导热填缝剂的实际运用——高可靠度场景·· 85

4.5石墨片的实际运用——消除局部热点·· 86

5导热界面材料选用的复杂性·· 86

6 外延阅读·· 87

7 本章小结·· 87

参考文献·· 87

第八章 风扇的选型设计·· 88

1 几何尺寸·· 88

2 确定风量·· 89

3 确定风扇风压·· 90

4 平行翅片散热器流阻计算·· 91

5 风扇噪音考量·· 95

6 风扇相似定理·· 95

7 风扇寿命可靠性·· 97

8 风扇失速区·· 97

9 风扇选型因素汇总·· 98

10 散热器和风扇的综合设计·· 99

11 本章小结·· 100

参考文献·· 101

第九章 热管和均温板·· 102

1 热管和均温板的特点和典型应用·· 102

2 热管和VC的基本工作原理·· 103

3 热管或VC的性能指标·· 105

4 本章小结·· 106

第十章 热电冷却器、换热器和机柜空调·· 108

1 热电制冷原理·· 108

2热电制冷器在电子散热中的优缺点·· 108

3 热电制冷器的选型步骤·· 109

3.1确定工作电流·· 110

3.2确定工作电压·· 111

3.3 确定COP值和选择高效TEC的迭代方式·· 111

3.4 TEC与系统的匹配·· 112

4 换热器工作原理·· 112

5 换热器的选型·· 113

5.1确定需求·· 114

5.2计算换热效率·· 114

6 机柜空调·· 116

7 本章小结·· 118

参考文献·· 118

第十一章 液冷设计·· 120

1 液冷设计概述·· 120

1.1直接液冷·· 120

1.2 间接液冷·· 121

2 液冷散热的特点·· 121

3 液冷系统的分类与组成·· 122

3.1 封闭式单循环系统·· 122

3.2 封闭式双循环系统·· 123

3.3 开放式系统·· 123

3.4. 半开放式系统·· 123

4液冷设计各部分注意点·· 124

4.1 工质选择·· 124

4.2 冷板的设计·· 126

4.3冷管和接头的选择·· 127

4.4 泵的选择·· 128

4.5冷排/换热器的选型设计·· 131

4.6其它附件·· 132

5冷板散热器的设计步骤和常见加工工艺·· 133

5.1计算流量·· 133

5.2确定冷板材质·· 133

5.3流道设计·· 134

5..4冷板类型及其优缺点·· 136

6 本章小结·· 137

参考文献·· 137

第十二章 热设计中的噪音·· 139

1 热设计与噪音的关系·· 139

2声音基础知识概述·· 139

2.1声音的本质·· 139

2.2噪声产生原因·· 139

2.3 声音的几个关键参数·· 140

3声音的分析·· 143

3.1频程与频谱·· 143

3.2响度与响度级·· 144

3.3计权声级·· 146

4 声音的传播·· 147

5 电子产品中的噪音·· 147

5.1风扇的气动噪声·· 148

5.2  机械噪声·· 149

5.3电磁噪声·· 149

6 噪音测量·· 149

7 噪音控制设计·· 150

7.1 控制声源·· 150

7.2 控制传声路径·· 150

7.3控制声音接受者·· 152

8 噪声仿真·· 152

9 本章小结·· 152

参考文献·· 152

第十三章 风扇调速策略的制定和验证·· 154

1 为什么要对风扇进行调速·· 154

2 风扇智能调速的条件·· 155

2.1风扇转速必须可控·· 155

2.2 必须有可实时反馈产品散热风险的传感器·· 155

2.3 系统中必须内置有效的风扇调速程序·· 156

3 风扇调速策略的设计·· 158

3.1温度传感器的布置·· 158

3.2风扇调速策略整定步骤·· 159

4 异常情况的风扇转速应对·· 164

5 本章小结·· 164

第十四章 热测试·· 165

1热测试的目的和内容·· 165

2 热测试注意事项·· 165

2.1 确保设备的配置和负载与测试工况对应·· 165

2.2 确保设备使用的散热物料与设计方案一致·· 165

2.3根据散热方式选择合适的测试环境·· 166

2.4关注测试读取结果数据的稳定性·· 166

3 温度测试·· 167

3.1热测试设备·· 167

3.2接触式测温·· 167

3.3非接触式测温·· 169

4 撰写热测试报告·· 173

5 本章小结·· 175

参考文献·· 175

第十五章 热仿真软件的功能,原理和正确使用方法·· 176

1热仿真的作用·· 176

2热仿真的基本原理·· 176

3热仿真软件的选择·· 179

4 热仿真软件的合理使用·· 181

4.1信息收集·· 181

4.2几何建模和属性赋值·· 182

4.3求解计算和后处理·· 185

5 本章小结·· 186

第十六章 电子产品热设计思路·· 187

1 自然散热产品·· 187

1.1超薄平板电脑·· 187

1.2智能手机·· 189

1.3户外通讯基站热设计·· 193

1.4LED灯·· 196

1.5盒式自然散热终端·· 198

2强迫风冷设计·· 201

2.1笔记本电脑·· 201

2.2服务器·· 204

3 液冷和风冷的混合冷却·· 210

4 动力电池热管理·· 212

4.1 电池热管理系统的目标·· 213

4.2 电池热学信息确定·· 214

4.3 电池组热管理方案类型·· 217

4.4 动力电池加热系统·· 220

4.5 动力电池热管理系统的重量考虑·· 221

5本章小结·· 221

参考文献·· 221

后记·· 223

致谢·· 224

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