热设计流程分两步：

选用合适结构的热设计

多数热设计的目的是为了散热，也就是冷却，而不是用于加热。所以作者直接用冷却的方式说明（加热设计可参考）。

1）冷却方法的分类有：

①按冷却剂与被冷元件之间的配置关系
a. 直接冷却
b. 间接冷却
②按传热机理
a. 自然冷却（包括导热、自然对流和辐射换热的单独作用或两种以上换热形式的组合）
b. 强迫冷却（包括强迫风冷和强迫液体冷却等）
c. 蒸发冷却
d. 热电致冷
e. 热管传热
f. 其它冷却方法

2）选择冷却方法时，主要考虑设备的热流密度、体积功率密度、温升、使用环境、用户要求等。
注意：
①保证所采用的冷却方法具有较高可靠性；
②冷却方法应具有良好的适应性；
③所采用的冷却方法应便于测试、维修和更换；
④所采用的冷却方法应具有良好的经济性；

 

3）自然散热

当电子设备的热流密度小于0.08w/cm2，体积功率密度不超过0.18w/cm3时，通常可采用自然对流冷却。自然对流冷却是利用空气流过物体表面时的能量交换，利用空气的密度与温度关系(热空气往上走），将热量带走。
在自然散热中，传导、对流、辐射都要考虑。

4）强迫风冷

当电子设备的热流密度超过0.08w/cm2，体积功率密度超过0.18w/cm3时，单靠自然冷却不能完全解决它的冷却问题，需要外加动力进行强迫空气冷却。
强迫空气冷却一般是用通风机，使冷却空气流经电子元器件将热量带走。

5）热阻

当热量在物体内部以热传导的方式传递时，遇到的阻力称为导热热阻。

通常将热流量（功耗）模拟为电流；温差模拟为电压；热阻模拟为电阻。

 

几种降低传热热阻的方法：

6）选择散热结构时，一般准守的流程如下：

①按照传热机理选择散热方式，如选择自然冷却；

②从对流，传导，辐射三大热传导方式中选择合适的结构组成自然冷却。自然冷却的话三种热传导手段都要考虑。

因为各行业对热要求会有很大不同，所采用的主要手段也大不相同。所以建议对比标杆产品，选用合适的热设计结构，是最保险的。这里切记自性心爆棚，随意跨行业选用热设计结构，有利有弊的。

比如标杆产品为什么选择强迫冷却（水冷或风冷），而不是选择自然冷却这种省钱的方式，这是有原因的，切不可随意更改。

理由详见：

①高阶篇：1）标杆产品的拆解和分析(benchmarking)

②阶篇：4.3.3）DFMEA现有设计：预防控制与探测控制

作者会单独开一小节，列举些实例作为参考。

5.2.2 选用此种热设计结构对应的标准

热设计结构能按部就班一步一步设计的严格标准是很少，作者所见的热设计文档资料多为参考性质。

所以设计时需要具体精确到确定热设计结构的细节特征，并在此结构范围下再次细化标准的寻找，直到找到最小特征的标准为止。

如PCB版的热设计，先确定PCB版需要设计，再参考PCB版热设计实例去确认热设计传热机理，及需要对流、传导、辐射哪几种组合，最后依据供应商的标准确定具体尺寸和技术要求，公差等。

5.3 照章办事

5.3.1 耐心解读标准

因为热设计结构的标准不完善，就算是好的供应商提供的标准也很难说是正确完美的，所以通读、理解、梳理这些不完善的标准很需要耐心和专业素养。

5.3.2 作图

材质，尺寸与公差，测试等要求，都是要在图纸上表现。规范的图纸是实力的体现。

5.3.3 热仿真分析

因为纯粹的手动计算的不足，所以有热仿真的技术来替代计算书，越是精密的机械热仿真的要求越高。

还别说，最近作者发现很多公司对热设计仿真都有要求，这是对结构工程师的一个加分项目，可以多学学。

仿真的步骤其实都差不多，但基于流体分析的细节要求，所以有些仿真难度会很高，但也建议结构工程师一开始可以尝试一些初步的热仿真（如单板级以下的）。

热仿真分析范围包括：

①统级分析：着眼于机柜、插箱等整个系统，分析整个系统的流场、温度分布情况；

②单板级分析
给定单板的局部环境，分析单板上芯片的散热情况，以优化器件的布板与单板的接地、过孔等设计；

③芯片级分析
建立芯片的详细封装模型，分析芯片内部的温度分布情况。芯片的模型有物理模型和热阻模型。

5.4 专业化的表现

1）图纸；

一个产品的热设计的图纸包括热传导路径上的所有零件。

2）热仿真分析结果；

审计评审时请检查这两份东西。

5.5 特征优化：书面形式的上升空间

以书面形式表达热结构的优化设计方法，可以写在热仿真分析报告中。

热设计结构的优化方向有：

1）热设计结构各种参数最优化（仿真工程师工作范围）；

2）热设计结构方向优化：如将自然冷却变更为强迫冷却（结构工程师工作范围）。

5.6 平时的积累，为第二步做准备

因为没有能一步一步按部就班的设计标准，平时的积累就尤为重要了。

具体理由见对症设计总章节吧，这里就不阐述了。

6. 热设计的实例

这里作者介绍一些热设计的实例，可作为标杆设计的参考。

6.1 PCB板热设计

6.1.1 采用散热PCB

–印制线路板上敷有金属导热板;
–印制线路板上敷有金属导热条;
–印制线路板中间夹有导热金属芯。

导热印制板在设计时要特别注意：由于金属和环氧玻璃纤维板的热膨胀系数差别较大，如胶接不当，可能引起电路板翘曲。

6.1.2 印制板上电子元器件的热安装技术

安装在印制板上的元器件的冷却，主要依靠导热提供一条从元器件到印制板及机箱侧壁的低热阻路径。元器件与散热印制板的安装形式如下图所示。

①为降低从器件壳体至印制板的热阻，可用导热绝缘胶直接将元器件粘到印制板或导热条（板）上。若不用粘结，应尽量减小元器件与印制板或导热条（板）间的间隙。

②安装大功率器件时，若采用绝缘片，可考虑导热硅橡胶片。为了减小界面热阻，还应在界面涂一层薄的导热膏。

③同一块印制板上的元器件，应按其发热量大小及耐热程度分区排列，耐热性差的器件放在冷却气流的最上游（入口处），耐热性好的器件放在最下游（出口处）。

④有大、小规模集成电路混合安装的情况下，应尽量把大规模集成电路放在冷却气流的上游，小规模集成电路放在下游，以使印制板上元器件的温升趋于均匀。

⑤因电子设备的工作温度范围较宽，元器件引线和印制板的热膨胀系数不一致，在温度循环变化及高温条件下，应注意采取消除热应力的一些结构措施。如下图所示。

对于具有轴向引线的圆柱形元件（如电阻、电容和二极管），应当提供的最小应变量为2.54mm，如图5-13a所示。

大型矩形元件（如变压器和扼流圈），应像图5-13b、c那样留有较大的应变量。

 

在印制板上安装晶体管，常使晶体管底座与板面贴合，如图5-14a所示。这是一种不好的安装方式，因为引线的应变量不够，会导致焊点随印制板厚度的热胀冷缩而断裂。

安装晶体管的几种较好方法如图5-14(b)～(e)所示。

 

6.1.3 印制板导轨热设计

印制板导轨起两个作用：导向和导热。

作为导热用时，应保证导轨与印制板之间有足够的接触压力和接触面积，并且保证导轨与机箱壁有良好的热接触。下图是一些典型的导轨结构及其热阻值。

 

6.1.4 印制板的合理间距

–对于依靠自然通风散热的印制板，为提高它的散热效果，应考虑气流流向的合理性。

–对于一般规格的印制板，竖直放置时的表面温升较水平放置时小。

–竖直安装的印制电路板，自然散热时的最小间距应为19mm，以防止自然流动的收缩和阻塞。