2.1 电子热设计基础理论原理

电子热设计是指对各类电子设备（芯片、PCB等）、系统整机的温升进行合理的控制，保证电子设备系统的正常工作，因此，电子设备热设计的理论基础是传热学和流体力学。高温是电子产品最严重的危害，会导致半导体自由电子运动加快，信号失真，造成电子系统或器件的寿命降低、性能减弱、焊点变脆、机械强度降低，结构应力变形等；对于晶体管而言，结温的升高会使其电流放大的倍数迅速增加，这势必导致集电极电流增加，又使结温进一步升高，最终将导致元件失效。另外，散热性能的提升是电子产品小型化的关键问题。了解传热及流体的基本理论，有助于解决电子设备的散热问题。本章主要是讲解与ANSYS Icepak热仿真相关的传热、流体基础理论。

热量传递的基本规律是热量从高温区域流向低温区域传递，其基本的计算公式为

式中，Q为热流量（W）; K为换热系数（W/m2·℃）; A为换热面积（m2）; Δt为冷热流体之间的温差（℃）。

热量传递包含3种基本方式：导热、对流和辐射换热，一般电子热设计工程中，会组合采用两种或3种方式。例如，某机载雷达电子控制机箱，其散热的路径为：器件、模组的热耗通过导热作用传导至模块导热板，接着通过导热、自然对流、辐射将热量传至模块两侧，再经金属导轨传到机箱上下侧的波纹板；进风口的冷空气流入包含波纹板的风道，冷却波纹板后将热量带走，最后热空气流出系统。密封腔体内的器件及模组，需要考虑器件间、器件与壳体间的辐射换热及相应的自然对流，因此涉及的散热方式包含导热、对流、辐射换热，如图2-1所示。而对于外太空星载的电子控制产品，其涉及的散热方式主要是导热和辐射换热。

2.1.1 热传导

热传导是同一介质或不同介质间，由于温差所产生的传热现象。导热基本规律由傅里叶定律给出，表示单位时间内通过给定面积的热流量。传导的热流量与温度梯度及垂直于导热方向的截面积成正比。热传导表达式为

式中，Q为热传导热流量（W）; λ为材料的导热系数（W/m·℃）; A为垂直于导热方向的截面积（m2）；为沿等温面法线方向的温度梯度（℃/m）。

式（2-2）中的负号表示热量传递的方向与温度梯度相反。可以看出，如果要增强热传导的散热量，可以增加导热系数，选择导热系数高的材料，如铜（约360W/m ·℃）或铝（约160W/m·℃）；增加导热方向的截面积等。

对于金属来说，自由电子的运动和原子晶格结构的振动导致了热传导，因此金、银、铜、铝这些材料导热率和导电率都较高；在非金属固体中，原子晶格的振动高于自由电子运动，其导热率与导电率无关，但是原子晶格的规则程度与导热率有关，结构化的晶体点阵布置越高，导热率越高，但是导电率越差。最明显的材料是钻石，导热率是铜的5倍，但是导电率很差。

对于流体而言，分子间的空间比固体大很多，因此导热率更低。流体的导热率与压力和温度有关，但是电子散热中的流体，通常忽略导热率随压力的变化。气体导热率通常随温度呈现线性变化，但是每种气体的斜率不同。

通常来说，金属导热率较高，非金属次之，液体较低，气体最小。ANSYS Icepak内嵌了很多电子行业常见的材料库，常见材料的导热系数可通过ANSYS Icepak软件查询；另外，ANSYS Icepak支持用户建立自己的材料库。

2.1.2 对流换热

对流换热是对电子设备进行温升控制，保证其散热的主要方式。对流换热是指流动的流体（气体或液体）与其相接触的固体表面之间，由于温度不同所发生的热量交换过程。其中对流换热分为自然对流和强迫对流，自然对流是因为冷、热流体的密度差引起的流动，而强迫风冷是由外力迫使流体进行流动，是因为压力差而引起的流动。

影响对流换热的因素很多，主要包括流态（层流/湍流）、流体本身的物理性质、换热面的因素（大小、粗糙度、放置方向）等。

对流换热可以使用牛顿冷却公式表达：

式中，Q为对流换热量（W）; hc为对流换热系数（W/m2·℃）; A为壁面的有效对流换热面积（m2）; tw为固体表面的温度（℃）; tf为冷却流体的温度（℃）。

可以看出，要增强对流换热，可增大对流换热系数和对流的换热面积。对于自然对流换热和强迫对流换热来说，前人提出了计算对流换热系数的准则方程，根据不同准则方程计算的对流换热系数，可以应用到ANSYS Icepak中进行散热计算。不同的准则方程在2.3节中会详细讲解。例如，某通信机柜的热仿真，可将通过自然对流准则方程计算的对流换热系数输入机柜Wall的属性中，用于考虑外壳和外界空气的换热过程。

另外，ANSYS Icepak本身也提供了计算换热系数的准则方法；作为一款CFD热仿真软件，ANSYS Icepak也可以计算出机箱外壳和外界空气自然对流的真实换热系数。

2.1.3 辐射换热

与传导、对流换热不同，物体以电磁波形式向外传递能量的过程称为热辐射。任何高于绝对零度的物体，均以一定波长向外辐射能量，同时也接受外界向它辐射的能量。热辐射不需要任何介质，可在空中传递能量，且能量可进行转换，即热能转换为辐射能或辐射能转换成热能。

物体间的热辐射是相互的，如果它们存在温度差，就会进行辐射换热过程。两物体表面之间的辐射换热计算表达式为

式中，Q为对流换热量（W）; δ0为斯蒂芬—玻耳兹曼常数，δ0=5.67e-8W/m2·K4; A为物体辐射换热的表面积（m2）; εxt为系统发射率，其中ε1、ε2分别为高温物体表面（如芯片、散热器）和低温物体表面（如机箱内表面）的发射率；F12为表面1到表面2的角系数；T1、T2为表面1、表面2的绝对温度（K）。

由此可以看出，要增大物体表面间的辐射换热，可以提高热源表面的发射率（黑色阳极氧化）、热表面到冷表面的角系数、增大辐射换热表面积等。

在ANSYS Icepak中，包含3种辐射换热的计算方法，后续章节会有详细的讲解说明。在热模型的属性面板中，需要设置物体表面的面材料，包含物体的粗糙度、发射率、对太阳辐射的吸收率、半球漫反射吸收率等，如图2-2所示。

2.1.4 增强散热的几种方式

从上述3种基本的传热表达式可以看出，电子产品的散热设计可以通过以下几种方式增强换热。

（1）增加有效换热面积：如给芯片、IGBT安装合理的散热器；将芯片的热耗通过金线传导到PCB上，利用PCB的表面进行散热。

（2）增加强迫风冷的风速，增大物体表面的对流换热系数。

（3）减小接触热阻：在芯片和散热器之间涂抹导热硅脂或者填充导热垫片，可有效减小接触面的接触热阻，这种方法在电子产品中最常见。

（4）破坏固体表面的层流边界层，增加紊流度。由于固体壁面速度为0，在壁面附近会形成流动的边界层，凹凸的不规则表面可以有效地破坏壁面附近的层流边界，增强对流换热。例如，两个散热面积相同的交错针状散热器和翅片散热器，针状散热器的换热量可增加30%左右，这主要是湍流的换热效果远高于层流，而针状散热器可增大紊流度；某螺旋形液冷板，在流道内增加小尺寸的圆柱形扰流器，可增加流体的紊流度，增强换热效果，如图2-3所示。

（5）减小热路的热阻：在空间狭小的密闭腔体内，器件主要是通过自然对流、导热和辐射进行散热。因为空气的导热系数比较小，狭小空间内的空气容易形成热阻塞，因此热阻较大。如果在器件和机箱外壳间填充绝缘的导热垫片，则热阻势必降低，有利于其散热。

（6）增加壳体内外表面、散热器表面等的发射率：高温元件可通过辐射换热将部分热量传递给壳体，壳体表面的吸收率越高，元件和壳体间的辐射换热量越大，比如，对于一个密闭的、自然对流的电子机箱，壳体内外表面氧化处理比不氧化处理时元件的温升平均下降约10%。

另外，可对物体表面进行喷砂处理，以增大其辐射换热面积。图2-2中的Roughness表示表面喷砂处理后的粗糙度。