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热传导专区

作者:江志宏

热导率(heat conductivity、thermal conductivity)

是一个物质的导热性能,在同一物质内从高温处传到低温处。 也称做:导热性、导热度、热导率、热传係数、传热性、传热度、导热係数、热传导係数、热传导度。

热导率公式(thermal conductivity)

k = (Q/t) *L/(A*T) k:热导率、Q:热量、 t:时间、L:长度、A:面积、T:温度差 在SI单位,热导率的单位是 W/(m*K),在英制单位,是Btu‧ft/(h‧ft2‧°F)

热传导係数(heat transfer coefficient)

在热力学、机械工程与化学工程中,热传导係数是用来计算热传导的,主要是对流的热传导或流体与固体之间相态变换的热传导,其定义为在单位温差下﹐单位时间通过单位面积单位距离的热量﹐称为该物质之热传导係数﹐若以厚度L之物质量测﹐则量测值要乘以L﹐所得之值是为热传导係数﹐通常记成k。

热传导係数的单位换算

1 (cal) = 4.186(j), 1 (cal/s) = 4.186( j / s) = 4.186 (W)。

下方左图:在温度27℃(300'K)的热传导係数k值/
下方右图:在温度20℃的热传导係数k值

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金属特性比较表:

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高温对电子产品的影响:

温度升高会造成电阻的阻值降低,也会缩短电容的使用寿命,另外高温会造成变压器、相关绝缘材料的性能下降,温度过高还会造成PCB板上的焊点合金结构的变化:IMC增厚、焊点变脆、锡鬚增长、机械强度降低,结温的升高会使电晶体的电流放大倍数迅速增加,导致集电极电流增加,又使结温进一步升高,最终导致元件失效。

专有名词解释:

Junction Temperature (结温):电子设备中半导体的实际温度。在操作中,它通常较封装外壳温度(Case Temperature)高,温度差等于其间的热流乘以热阻。 Free convection (自然对流) : Radiation (辐热): Forced Air(气冷): Forced Liquid (气冷): Liquid Evaporation(气化) : Surface(表面) Surroundings(週温、环境温度)

热传导公式:

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热设计常用的简单注意事项:

1 应善用热传导、自然对流和辐射等简单、可靠的冷却方式,除了降低成本也减少故障。
2 尽可能缩短传热路径,并且增大热交换面积。
3 元器件安装时,要充分考虑周边元器件辐射热交换的影响,热敏器件应远离热源或想办法採用热遮罩的保护措施,将元器件与热源进行隔离。
4 进气口和排气口之间应有足够距离,要避免热风回流。
5 进入的空气与排出的空气之间的温差应小于14℃。
6 应注意强迫通风与自然通风的方向儘量一致。
7 发热量大的器件应尽可能靠近容易散热的表面(如金属机壳的内表面,金属底座及金属支架等)安装,并与表面之间有良好的接触热传导。
8 电源部分的大功率管和整流桥堆属于发热大的器件,最好直接安装在机壳上,以加大散热面积。在印製板的佈局中,功率较大的电晶体周围的板面上应留有更多的敷铜层,以提高底板的散热能力。
9 使用自由对流时,避免使用太密的散热片。
10 进行热设计时应该考虑确保导线的载流容量,所选用电线的直径必须适合电流的传导,而不致引起超过允许的温升与压降。
11 如果发热分佈均匀,元器件的间距应均匀,以使风均匀流过每一个发热源。
12 使用强迫对流冷却时(风扇),将对温度敏感的原件放在最接近进风口的位置。
13 利用自由对流冷却的装备,避免将其他零件安排在高功率消耗件的上方,正确的作法应该是参差水平排列。
14 如果发热分佈不均匀,在发热量大的区域元器件应稀疏排列,而发热量小的区域元器件佈局应稍密些,或加导流条,以使风能有效的流到关键发热器件。
15 进风口的结构设计原则:一方面儘量使其对气流的阻力最小,另一方面要考虑防尘,需综合考虑二者的影响。
16 功率消耗件间儘可能有最大的间隔。
17 避免将温度敏感件彼此挤在一起,或安排在高功率消耗件或热点旁边。
18 利用自由对流冷却的装备,避免将其他零件安排在高功率消耗件的上方,正确的作法应该是参差水平排列。

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IC(积体电路)在PCB(印刷电路板)上的排列方式对其温升的影响:

当讨论産品使用寿命时,一般都会採用"θ10℃法则"的表达方式。简单的说可称爲"10℃法则"等,当环境周围温度上升10℃时,産品寿命就会相对的减少一半,当环境周围温度上升20℃时,産品寿命就会减少到四分之一。这种规则可以说明温度是如何影响産品寿命(失效)的。 相对的也可以利用提高试验温度,来加速失效现象发生,进行各种加速寿命的老化试验。 Arrhenius模型被广泛地应用于与温度应力有关的应力加速寿命老化试验中。 以下为Arrhenius加速寿命模型:

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A :常数 Ea:活化能(ev) R :Boltzmann常数8.6159×10-5(ev/°K) T :绝对温度(°K) = 273.15 + 摄氏温度t℃ t :摄氏温度(℃) T0:临界温度(°K) Ta:试验温度(°K) L1:在Ta(°K)试验温度下的寿命(小时) L2:在T0(°K)临界温度下的寿命(小时)

空气冷却风速与温度关係:

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通电及冷却的温度变化示意图:

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各种冷却技术之温度控制范围:

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