热管理领域作为通信与信息产业进步催生的新兴分支，正逐步获得业界的广泛关注，其重要性日益凸显。

通讯和信息产品性能持续增强，人们更追求设备轻便小巧，导致信息设备能耗增加，体积却缩小；设计标准也趋向小型化，使得封装层面的功率密度大幅提高，对高热流密度散热的需求愈发迫切。

概述

散热方案旨在运用恰当且稳固的技术手段，确保产品内部所有电子元件的温度维持在适宜范围内，使其在当前工作环境中不会超过安全稳定运行的上限温度，以此保障产品正常运作的安全性，并提升其长期使用的可靠性。

另外，在寒冷条件下调节热量以让机器运转也是热稳定性的关键方面。

电子设备的正常运作和持久稳定运行，高度依赖有效的热量散发，元件温度是否维持在规定界限内，是评判设计是否合格的一项普遍准则。

散热措施直接加重了产品分量，增大了其空间占用，提升了制作费用，但并未带来任何性能上的提升，它们赋予的是稳定运行能力。

缺少有效的散热措施，众多电子设备会在短暂时间内失效；芯片制造工艺越精细，其内部漏电流和由此产生的耗散能量就越大。

由于泄漏与温度相关，因此热设计显得更加重要。

工程师在研制构造繁复或耗电量大的电子系统时，怎样确保产品符合其他设计规范，并且具备良好的散热能力呢？

本文将为您介绍电子产品热设计中应该了解的一些事实。

热设计目的

必须管理好电子设备内部所有电子零件的温升，确保它们在设备运行的环境里，温度不会超过设定的最高限度，以此保障电子设备能够稳定并且可靠地运行。

热设计的基本问题

设备发热量决定温度升高，进而决定特定结构的温度；热量通过传导、对流和辐射三种方式散失，每种方式散失的热量与对应的阻碍程度成反比；热量、阻碍程度和温度是热学设计的关键指标；所有散热系统需兼顾简洁经济，适配特定的电气机械及环境状况，且必须符合可靠性标准。

散热方案须与电力方案、构造方案、稳固方案同步开展，倘若产生冲突，务必展开协商处理。

电子设备的实际输出能量远低于其需要消耗的能量，这部分超出能量的部分会转变成为热量而损失掉。

电子技术持续进步，元件和装置越来越紧凑，导致装置的体积能量密度显著提升。

3、提供一条低热阻通路，保证热量顺利传递出去。

热设计基本术语

高温条件涉及物件邻近介质的各种特性，如温度高低、气压强弱以及流动快慢，同时还包括物件外表的冷热程度、形状构造和吸热能力，此外还有各个部件之间热量传递的路径方式等。

2、热流密度：单位面积的热流量；

3、体积功率密度：单位体积的热流量；

4、热阻：热量在热流路径上遇到的阻力；

5、热阻网络：热阻的串联、并联或混联形成的热流路径图；

6、冷板：利用单相流体强迫流动带走热量的一种换热器；

热沉，指的是一个容量无限大的热源，其温度不会因为吸收的热量多少而改变，这种热源可能是广阔的地面、环绕的空气、大量的水体，或者是浩瀚的宇宙空间，也称作热源之地。

热设计的基本原则

1、应通过控制散热量的大小来控制温升；

挑选恰当的热量传递途径，包括传导、对流和辐射；传导降温能够应对诸多热管理挑战，针对发热程度适中的产品，运用对流降温通常比较适宜，辐射散热是太空电子装置的主要散热途径。

必须尽可能降低各种热阻起步网校，以此来控制元件的温度；电子产品在热设计过程中，可能会遇到三种热阻，分别是内部热阻、外部热阻以及系统热阻。

热量产生的点或区域同器件安装表面之间的热传递阻碍称为内热阻，器件安装表面同换热设备之间，或同产品、冷却介质以及自然环境接触界面之间的热传递阻碍称为外热阻，产品最外层表面同大气或是冷却介质之间的热传递阻碍称为系统热阻。

选用的散热装置应当构造简便，成本不高，同时要能够满足电子设备所处环境的各项指标；

需要权衡体积与分量，热能耗，成本效益，元件耐热极限，线路安排，产品构造的繁简程度等要素。

6、应与电气及机械设计同时进行；

7、不得有损于产品的电性能；

当优化散热方案与完善线路布局产生冲突，需要寻求折中的处理路径。

9、应尽量减小热设计中的误差。

热设计的方法

电子产品的散热方案须首先依据产品的耐久性参数及产品所处的外部环境明确散热方案目标，该目标通常为产品内部元件可承受的极限温度，然后根据散热方案目标以及产品的构造、空间、重量等条件开展散热方案设计，具体包含冷却方式的确定、元件的固定与排布、印刷电路板的散热构造规划以及机箱的散热构造规划。

常见的热设计流程图

热设计目标的确定

热设计目标一般参照产品可靠性参数与实际作业环境状况来设定，既然可靠性参数已经明确，按照GJB/ 299B－1998《电子设备可靠性预计手册》里关于元件失效概率和工作环境温度的关联性，能够推算出元件能够承受的最高温度，这个温度值就是元件的热设计基准。

工程上为了计算方便，常常选用元器件在降额设计状态下能够承受的最大温度，作为热设计的目标值。

热设计实施要点

优先采用高效、成熟的热量传导、空气流动及红外线散热等基础散热方法，同时尽量压缩热量传递的流程，显著扩展热量交换的接触界面。

1、冷却方法的选择实施要点

（1）根据电子产品的功耗计算热流密度或体积功率密度；

依据设定要求，结合热流强度或单位体积发热量，确定恰当的散热方案；

选冷却方式时，要按这个次序来，先是让它在空气里慢慢变凉，然后是用风吹着快一点凉，接下来是泡在液体里降温，最后是用蒸发来冷却。

2、元器件的安装与布局实施要点

务必降低零件安装位置的热传导阻碍，零件的摆放和固定方式需促进液体进行热交换，要确保液体能够顺畅流动。

安装零件时，要顾及邻近部件的传热效应，针对紧贴发热点的易损零件，须加设隔热装置。

半导体器件

借助大面积的平滑接触界面，并配合按需配置的导热衬垫或填充物，力求降低部件与固定基座间的接触热阻，将散热器安装在远离发热元件的位置，同时让散热片垂直于气流或冷却液流动方向排列。

采用喷涂或涂覆的表面以改善辐射特性。

电容器

置于远离热源的地方；对其它热源采取绝热措施。

电阻器

放在通风顺畅的地点，采用器械的固定或封装物料来提升向散热器的热量传递，尽量选用线头短的。

变压器和电感器

为了使这些部件的热量散发出去，需要建立有效的传热路径；把它们放在空气流动顺畅的部位；在必要的地方安装散热装置。

3、印制电路板的散热设计实施要点

组装件中的印制板需要具备良好的散热功能，可以通过使用具备散热性能的印制板，例如带有散热条的印制板、带有散热片的印制板，或是金属夹芯结构的印制板等方式来实现这一目的。

导轨在制作时需要选用散热性能优良的类型，例如U形结构或者楔形构造等。

组装件彼此间的距离需要加以约束，通常维持在十九到二十一毫米的范围之内。

4、机箱的散热设计实施要点

借助机箱构造充当散热装置，运用传导、对流以及辐射方式，将机箱内部电子部件及电子器件产生的热量迅速传导开去，确保有效散逸。

（2）增大自然对流机箱表面的黑度，以增强辐射换热能力；

传导热量的接触表面必须保持平整且光滑，同时具备非常高的表面精细程度，

选用导热性能优异的金属，同时兼顾材料的密度特点，建议优先考虑使用铝合金材料

（5）增加需要散热元件和模块的导热接触面面积；

（6）对高低不平的导热面采用导热绝缘海绵橡胶板作为传热层；

（7）缩短热传导的距离；

（8）增大机箱的散热表面积；

（9）增加导热接触面的压力；

开放式机箱，在其外壳上恰当设置进气孔，可以促进空气流通，增强热量交换效果。

（11）功耗较大时，考虑采用强迫风冷机箱或液体冷却机箱等。

热设计十大事实

1、涉及众多工程学科

热设计（电子散热），是一门小众学科。

这是一项由热学领域专家集体实施的工作，参与者多为具备深厚传热技术知识的机械工程技术人员，他们在此过程中高度集中精力。

那个时期，电子产品的机械构造，不论其内部运用了哪种冷却方式，都和电子装置各自独立制造。

那个时期的进度明显放慢，大家更注重在方案敲定之后，借助实物模型来分析并修正缺陷。

现阶段，在相关企业及行业背景下，常规的散热工作主要由个人技术人员在项目开发环节独立负责。

受限于时间、费用及资源等因素，越来越多的工程师开始习惯于处理所有事务。

这些负责全部工作的一流技术人员，与同行专家们相比，对热设计方面的解决方案有着不同的需求，他们需要更加简便且高效的工具来应对挑战。

2、存在不同的设计环境

一些组织认为热设计是产品机械设计的一部分。

这种看法在汽车等老牌产业中十分普遍，造成产品在电子领域的进步非常迟缓，这种情况直到最近几年才开始出现转机。

执行热设计任务的人员，可能是汽车工程师、机械工程师或生产工程师，他们依托组织的PLM系统，运用CATIA V5、或NX等先进MCAD软件进行操作。

最理想的选择是那种能毫无保留地融入他们常用 MCAD 系统的热管理设计方法，这种方案与他们的工作环境最为契合。

该公司的计算流体动力学模拟工具已嵌入先前提到的所有机械计算机辅助设计软件中，同时与特定软件和另一款软件深度对接，在电子设备散热及发光二极管照明模块领域获得了普遍应用。

另有一些机构，把散热规划当作电路板设计环节中的一个步骤。比如，产品如果需要放进常规的机箱里，负责进行散热设计的通常是那些使用 PADS® 和 ® 这些电路板设计软件的电子工程师，而负责从系统层面做热分析的工程师，则可能是来自不同领域，兼具机械和电气知识的人员，他们往往对基于 MCAD 的系统不太了解。

对于他们来说，唯有能与其电路板规划步骤完全融合的方案，才算得上是理想之选。

PADS ® XT 是一款专门面向此类工程师和环境的应用软件，它运用计算流体动力学技术，用于电子设备的散热模拟。

3、所开发产品的类型和产量非常重要

我们清楚工程师及设计氛围对散热方案执行的影响了。

所开发的产品类型及其产量对此也有一定的影响。

在航天航空、核能以及汽车等传统领域，人们常借助计算流体动力学方法来分析产品特性，这类行业的产品开发流程通常较为耗时，而且将安全性和可靠性放在成本与效能之前，受此影响，这些行业的热电子系统设计主要致力于将元件温度控制在安全阈值以下layout是什么意思，以此提升产品的使用寿命

设计人员必须付出巨大努力来为冷却系统构建备份机制。如此一来，即便某个风扇发生损坏，系统依然能够保持稳定运行并且满足相关标准，不仅如此，还能在系统持续运作期间进行故障风扇的更换

不过，在大量制造的家庭用物品行业里，价格和功能才是决定性条件。

从概念设计到投产，设计时间被压缩到仅仅只有几个月的时间。

最大限度地降低产品成本是设计活动的一个关键部分。

必须全面分析各种可能性，才能确定最经济实惠的散热方法。

必须权衡的方面有封装类型、印刷电路板，电路布局形态，以及外壳构造layout是什么意思，涵盖风扇规格、安放方位和进气孔配置等要素。

当前形势迫切要求迅速评估设计范围，由此促使了多种应对办法的出现，这些办法借助不同的计算流体动力学手段，能够更快地获取初步数据，并且显著减少后期设计修改的周期。

4、适应技术演变

电子设备持续缩小，使其外形构造愈发杂乱且奇特，电子技术与机械结构的融合程度不断加深，这一趋势在手机、平板等便携设备上体现得最为明显。

产品体积缩小的一个现象是可动区域收窄，这种情况常常会妨碍空气流通散热的效果。

槽壁产生的剪切力决定着湍流强度，这种力影响着湍流的产生与消失，狭窄的空间会造成流体转变为层流状态。

这其实降低了需要测量的湍流效应的数值标准。随着时间延长，空气温度的上升，对于高于环境的集成电路封装内部节点温度升高的作用，会变得越来越小。

小型化对几何的精准度提出了更高标准，对材料与表面特性的还原也要求更严，对表面间热辐射的考量日益重要，同时在特定领域对太阳热辐射的依赖性不断增强。

后期设计阶段，要留意电源和地平面，还有直流线路里电流密度持续上升的情况，这些都要当作电路板上的热源来对待。

这些变化增加了对热模型和机械 CAD 与 EDA 工具集结合的要求，同时也对它们所描绘的几何形态有了更严格的标准。

更细微的特征轮廓和芯片封装体量，参照电路板上信号与电源传输的铜制线路的规模，需要以更精细的层次进行描绘。

在 XT 中进行系统级热建模

5、与设计工具集相集成

机械领域与电气领域的融合同样源于产品微型化的趋势，这需要把某个设计环节的调整反向传递到另一个设计环节中去

PCB的布局布线工作运用了改良后的平面技术，现在在PADS软件的设置中，能够获得立体模型展示、物料清单管理以及设计规则检查功能。

借助 PADS XT 以及其自带的 MCAD 核心，能够从之前提到的所有主流 CAD 软件中，导入原有的 CAD 几何图形，并且可以顺利使用。

编辑过的元件在 PADS 中能够导出为源 CAD 文件格式，可以再次导入到 MCAD 环境中，这样做是为了保证元件的历史信息不会丢失。

能够修改电路板的布局，更换电子元件，可以任意方向转动元件或改变其尺寸。另外也兼容导入IDF文件。

与 EDA 和 MCAD 系统的深度结合，已经成为热设计环节高效执行的关键基础，然而，单靠这些系统固有性能，依然难以满足需求。

6、对散热技术的支持

小型化还会影响散热技术的选择。

先前，受限于笔记本电脑内部狭小的空间，离心式风扇被用作了替代台式机中惯常采用的轴流式风扇的选择。

另外，运用热管将热量从核心的中央处理器搬运到离心式风扇后方热管的散热片上，再由离心式风扇直接排到周围空间。

散热片和传热垫在某些容积较小的装置里也能见到，合成气流的应用也是如此，特别是在发光二极管灯具领域。

创新的散热器和风扇组件设计层出不穷，液冷的应用日益增多。

该软件能高效应对各类散热措施，所以在运用具备繁复构造的散热措施的电子设备里，它被视作核心的设计选择。

散热相关的部件，例如风扇、散热器、热管等，都是市面上可以买到的产品，它们既不是 EDA 软件自带的，也不是公司 MCAD 系统里能设计的，不过要想做准确的热分析，就必须把这些部件考虑进去。

7、处理长度规模的范围

电子系统的一个显著特点在于其尺寸跨度极大，既有芯片表层那微乎其微的纳米尺度，也有数据中心机架所呈现的米级大小。

这类分析软件，特别是运用紧贴边界网格技术的分析软件，面临着严峻的考验。

将所有元素直接包含在模型中的做法既不现实，也不可取。

造成这一难题的部分缘由在于，在设计改进最为关键的步骤中，众多相关数据依然处于不确定状态。

在完成零件排布环节之后，才着手进行电路板的线路规划，但布局欠妥的零件排布，可能会对散热效果造成毁灭性的后果。

Pro 的热视图

（图片由 Inc.提供）

通常采用的方法是用简化的行为模型来分析芯片封装、PCB板、散热风扇、散热片等电子元件。

PADS XT运用™符号来提升上述元件及常用器件的构造效率，同时依据设计信息的逐步完善持续改进模型。

借助形象的 ，您能在几分钟内搭建基础的构思模型，将源自 MCAD 的机械部件相结合，便捷地生成个人的 CAD 几何图形，并且运用精密的电子元件。

还能加快设计空间的探索，尤其是在早期设计阶段。

后期设计阶段，往往涉及产品众多方面的丰富几何特征，目的是实现逼真的模拟效果；比如，需要精确的PCB布线层信息，PCB叠层中的电源与接地层布局，发热核心器件的精细构造，还有所有散热装置的详尽规格等。

高度融合的设计工具套件，使得后期制作中 EDA 与 MCAD 产生的精细图形数据，能够同先前在热学模拟软件里生成的构造模型互换，进而辅助初步构想与早期方案探索。

改进 EDA 与 MCAD 构图时，能够顺畅地运用最新版本。

通过生成网格来分析此类细节的热传递是一个非常耗时的过程。

为了提升该环节的工作效能，各个几何构造将转化成控制单元，输送至 CFD 计算模块，依据网格内部构造信息，能够直接生成控制单元，无需进行额外的网格细分。

借助这一特殊技术，PADS XT 能在单个网格里，针对实体与实体之间或实体同流体边界之间，捕捉众多固体部件，进而能够模拟复杂构造以及多个流体通路（比如散热片缝隙中的气流）。

8、访问和复用预先存在的数据

维持热模型始终为最新版本，并且将设计流程中的变动及时更新，这对于做出迅速判断、防止设计重新进行、以及压缩产品推出周期都极为关键。

热分析除了形状参数，还涉及其他要素，比如构成产品的材质属性，这些材质或许不止一种，并且需要相应的热学指标，同时也要考虑组件的能量消耗情况。

所以，需要把功率信息从那个计算工具里面取出来；这个步骤一般是通过文本表格文件来完成的，并且依靠部件的编号来区分热分析里的各个零件。

当功率估算发生变化时，需要自动更新这些数字。

在极为微小的构成层面，完备的模型构建或许需要一套芯片层面的能量规划，用以明确各种用途下器件内的能量配置。

各个模型内部均有若干可互换的独立发热部件，这些部件用于检测产品在瞬态分析中呈现的不同情形下的散热能力。

依照“应用场景”或实际耗电情形，而非依赖稳定热设计功率，进行设计这一做法，让电气技术人员与热力工程师之间的协作环节更加关键。

电子散热模型的特性完全取决于具体要应用的“边界条件”的多少。除了形状细节之外，这些条件还涵盖材料信息、热量相关参数、表面特征（涵盖粗糙程度）、网格设定，以及（以配备风扇为例）效能指标和预设的运作方式。

因为一个部件里能存放所有资料，所以大大减少了制作模型所花的功夫。

使用八叉树粗网格上的多个控制体捕获多个弯曲的散热器鳍片

该类设备有助于便捷地构建新型创意方案，同时也要管理设计里反复应用的部件，比如基板。

新电路板应该能够轻松地插入现有底板。

借助高效的库可以大幅增强此过程。

XT能够借助部件实现数据整合，同时具备直接移动的操作特性；该特性允许批量传输完整方案、构成单元或独立单元，并附带其配套的材质参数等附加信息。

9、处理不确定性

热学设计里，一个与材料特性及能耗关联的难题在于，模型里所取数据的不可靠性。

这涉及到设计的几何细节，比如电路板铜箔的厚度，粘合层的实际尺寸，以及不同界面层的具体构造。

热学分析的一个核心环节在于明确哪些因素对核心部件的温升作用最为显著。需要识别出那些可能导致关键元件温度出现较大波动的变量。这些不确定性的存在会对热模型的准确性产生重要影响。

我们先前探讨过数值实验方法的应用，以及在设计领域进行确定性研究时开展优化工作，目的是减少开支并提升产品性能的稳定性。

可以用同样的自动化手段来评估热性能在加工环节可能发生的偶然波动时的可靠性。

评估工作结束后，应提示设计人员集中注意力，借助修改设计方案，并获取更为准确的模拟信息，从而达成这些方面的设计优化目标。

当前最先进的方法是使用测量值作为仿真过程的基础。

因此，客户能够显著缩短热设计周期，有效降低热设计费用，并且获得能够准确反映环境温度以上温升的模型精度。

这种做法彻底改变了以往在方案定稿后才借助实物模型分析来修正方案缺陷的习惯。

10、压缩设计时间和裕量

运用非贴体网格的方法，模型从搭建到分析整体流程，用时能减少一半以上。

最大的压缩效果体现在，可以直接利用 CAD 几何形状生成网格，无需进行清理或简化；并且在网格划分过程中，不必耗费时间来降低贴体网格变形，这种变形会影响到收敛性和结果品质。

不过，优势并不仅仅局限于此。借助 PADS XT，能够基于 MCAD 或 EDA 设计环节来刷新模型，这样就能维持先前处理初始设计资料时所应用的参数，并且模型可在数分钟内自动实现网格重构，从而进入计算状态。