现代电子产品离不开热设计。如果没有热设计，你的产品会越来越热。典型的是夏季笔记本和口袋里的智能手机。原因如下：
1)系统集成度越来越高；
2)广泛使用大功耗器件；
3)系统容量大，产品体积小；
4)环境适应性要求越来越高(比如户外产品越来越多)。
热对电子可靠性的影响如下：
1)电子产品可靠性(寿命)故障的40%以上是由温度问题引起的:电子零件的温度上升10度，寿命下降一半。
2)电子设备的性能随工作温度的升高而变化(电容最明显)。
2.热设计概念
综合利用传导、对流、辐射三种换热手段，将发热源设计为低热阻通道，以满足设备散热要求。
3.热设计目的
热设计的目的是确保产品在指定的环境规格下正常工作，达到产品的可靠性目标，满足产品各部分温升的限制性要求。
热设计目标是可靠性目标的一部分。
4.对流、传导和辐射的概念
热量总是自发地从高温区传递到低温区，或者从物体的高温部分传递到低温部分。有三种传递方式：
1）传导
2）对流
3）辐射
4.1 传导
当物体直接接触传导时， 能量交换通过分子间动能传递。
公式：Q = K A △t / L
Q ---- 传导散热， W
K ---- 导热系数, W/m·℃
A ---- 导体横截面积， m2
△t ---- 传热路径两端温差， ℃
L ---- 传热路径长度， m
常用材料的导热系数：
铝约180，压铸铝120，铁约40 、铜390(但铜的密度是铝的3倍，重量，价格)，石墨是各向异性，x方向是10，Y，Z方向可达600，重量轻。
导热系数大，内部温差小。
热管是一种传热能力极高的结构，其导热系数可达1万以上。
我们经常在芯片和散热器之间添加导热（绝缘）材料，因为两个表面不均匀，中间有空气，需要填充导热性好的材料。材料需要良好的形状适应性，尽可能薄和高压（注意芯片能承受的最大压力）；
常见的导热介质材料包括导热胶、导热硅脂、导热软硅胶垫片、导热云母片、导热相变材料等。
由于导热硅脂具有良好的填充性，热阻小于其他导热绝缘材料；
目前常用导热硅脂的导热系数为0.8~1，但也有2、4、5，最大可达10。
4.2 对流
当流体通过固体表面时，对流是流体与固体交换。
公式： Q = hc A △t
Q ---- 对流散热量， W
hC ---- 换热系数, W/m2·℃
A ---- 有效的换热面积， m2
△t ---- 换热表面与流体温差， ℃
对流换热与表面流速和换热面积有关。我们使用散热器，本质上是为了增加换热面积；
当速度增加到一定程度时，换热量的增加并不明显；
一般情况下，插箱单板间的风速在风机强制冷却时可超过1m/s。
4.3 辐射
辐射是通过电磁波传递热量的过程。
公式：Q = ε · σ · T4
Q ---- 辐射散热， W
ε ---- 散热表面辐射率， W/m2·℃
σ---- 斯蒂芬-玻尔兹曼常数， 5.67×108(W/m2K4)
T ---- 绝对温度, K
辐射换热主要要求温差大；
影响辐射率的因素：材料、表面粗糙度、波长等；
对于室外设备，辐射率大，吸收率大，应注意防辐射措施；
对于自然散热的情况，必须考虑辐射散热，这时，辐射散热是一种重要的散热方法；对于强迫冷却的设备，可以忽略辐射散热。
5.热设计过程
热设计结构应用于各种机械行业。
所谓的热设计大多是指散热设计，但作者也接触过PTC事实上，加热产品也属于热设计。
根据产品的不同，其结构变化很大，因此很难有固定的标准。但总体设计轨迹仍有轨迹可找，其细节有许多相应的标准和文档数据可找到。根据总章程的流程设计可以遵循轨迹的特点。
1)明确分析设计要求；(针对事物的问题)
2)选择合适的标准和文档；
三、照章办事；
4)专业表现；
5)特征优化:书面形式的上升空间；
6）平时的积累，为第二步做准备。
5.1 明确分析设计要求；(针对事物的问题)
机械也有很多子行业，不同行业对热设计的要求非常不同。就像作者上面的加热设计和散热设计不可能一样。
一般对热设计要求如下：
1)温度要求；
2)温升等级；
3)压力(或高度)；
4)太阳或周围其他物体的辐射热载荷；
5)可用的热沉状态(包括类型、温度、压力和湿度等)；
6）冷却剂的种类、温度、压力和允许的压降
热设计必须符合要求规范和测试要求。
如有要求规格书，规格书必须对上述热设计要求有详细规定。
因此，对规格书的解释在设计之前是非常重要的常被从业者忽视)。
如果您自己设计或没有规格，您需要根据国家行业的要求收集相关的测试标准，因此产品注重质量会更麻烦，但您可以参考同一行业强大公司的规格。
设计要求得到的方法具体做法详见：
高阶篇：4.1）QFDI(客户需求转换为设计要求)
了解自己的行业环境，明确热设计要求，是做好设计的第一步。
5.2 对症选择合适的标准和文档资料
热设计过程分为两步：
5.2.1 选择合适结构的热设计
大多数热设计的目的是散热，即冷却，而不是加热。因此，作者直接通过冷却（加热设计可设计可参考）。
1)冷却方法的分类包括:
①根据冷却剂与被冷元件的配置关系
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(包括强迫冷却和强迫液体冷却)
c. 蒸发冷却
d. 热电致冷
e. 热管传热
f. 其它冷却方法
2)在选择冷却方法时，主要考虑热流密度、体积功率密度、温升、使用环境、用户要求等。
注意：
①确保所采用的冷却方法具有较高的可靠性；
②冷却方法应适应性好；
③冷却方法应便于测试、维护和更换；
④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时.08w/cm2.体积功率密度不超过0.18w/cm3.自然对流冷却通常可以使用。自然对流冷却是利用空气流过物体表面时的能量交换，利用空气密度和温度关系（热空气上升）带走热量。
在自然散热中，应考虑传导、对流和辐射。
4）强迫风冷
当电子设备的热流密度超过0时.08w/cm2.体积功率密度超过0.18w/cm3.自然冷却不能完全解决其冷却问题，需要强制空气冷却的外部动力。
强迫空气冷却通常使用通风机，使冷却空气通过电子元件带走热量。
5）热阻
当热量以热传导的形式在物体内传递时，遇到的阻力称为导热阻。
热流(功耗)通常模拟为电流；温差模拟为电压；热阻模拟为电阻。
降低传热热阻的方法有几种:
6)选择散热结构时，一般准确的流程如下:
①根据传热机制选择散热方式，如自然冷却；
②从对流、传导和辐射三种热传导方法中选择合适的结构，形成自然冷却。自然冷却应考虑三种热传导方法。
因为每个行业的热要求都会有很大的不同，所采用的主要手段也会有很大的不同。因此，建议比较基准产品，选择合适的热设计结构，是最安全的。记住在这里，自我心爆炸，随意选择热设计结构，优缺点。
比如标杆产品选择强制冷却(水冷或风冷)而不是自然冷却是有原因的，千万不要随意改变。
理由详见：
①标杆产品的拆解与分析(benchmarking)
②阶篇：4.3.3）DFMEA现有设计：预防控制和探测控制
作者将单独开一个小节，列出一些例子作为参考。
5.2.2 选择该热设计结构对应的标准
很少有严格的热设计结构构的严格标准很少，作者看到的热设计文档大多是参考性质。
因此，在设计过程中，需要确定热设计结构的细节特征，并在此结构范围内再次细化标准的搜索，直到找到最小特征的标准。
如PCB首先确定版本的热设计PCB版本需要设计，然后参考PCB热设计实例确认了热设计的传热机，以及对流、传导和辐射的组合，最后根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
由于热设计结构的标准不完善，即使是好供应商提供的标准也难以说是正确和完善的，因此通读、理解和梳理这些不完善的标准需要耐心和专业素质。
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
由于缺乏纯手动计算，有热仿真技术来代替计算书，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。
模拟的步骤实际上是相似的，但基于流体分析的细节，一些模拟将非常困难，但也建议结构工程师可以尝试一些初步的热模拟（如单板级以下）。
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；
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，优化设备布板与单板的接地、过孔等设计；
③芯片级分析
建立芯片的详细包装模型，分析芯片内部的温度分布。芯片模型包括物理模型和热阻模型。
5.4 专业表现
1）图纸；
产品的热设计图纸包括热传导路径上的所有部件。
2)热仿真分析结果；
审核时请检查这两件事。
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写在热仿真分析报告中。
热设计结构的优化方向如下：
1)热设计结构各参数优化(模拟工程师工作范围)；
2)热设计结构方向优化:如将自然冷却改为强制冷却(结构工程师的工作范围)。
5.6 为第二步做准备
由于没有一步一步的设计标准，平时的积累尤为重要。
具体原因见对症设计总章节，这里就不解释了。
6. 热设计实例
本文介绍了一些热设计的例子，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
–印刷电路板上涂有金属导热板；
–印刷线路板上涂有金属导热条；
–导热金属芯夹在印刷电路板中间。
导热印制板在安排时要更加提防：因为非金属和环氧玻璃丝板的热伸展系数分辨较大，如胶接不妥，大概惹起通路板翘曲。
6.1.2 印制板上电子元器件的热安置本领
安置在印制板上的元器件的冷却，重要依附导热供给一条从元器件到印制板及机箱侧壁的低热阻路途。元器件与散热印制板的安置情势如次图所示。
①为贬低从器件壳体至印制板的热阻，可用导热绝缘胶径直将元器件粘到印制板或导热条（板）上。若不必粘结，应尽管减小元器件与印制板或导热条（板）间的间歇。
②安置大功率器件时，若沿用绝缘片，可商量导热硅橡软片。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，应按其发烧量巨细及耐热水平分区陈设，耐热性差的器件放在冷却气旋的最上流（进口处），耐热性好的器件放在最卑劣（出口处）。
④有大、小范围集成通路搀和安置的情景下，应尽管把大范围集成通路放在冷却气旋的上流，小范围集成通路放在卑劣，以使印制板上元器件的温升趋于平均。
⑤因电子摆设的处事温度范畴较宽，元器件引线和印制板的热伸展系数不普遍，在温度轮回变革及高温前提下，应提防采废除除热应力的少许构造办法。如次图所示。
对于具备轴向引线的圆柱形元件（如电阻、库容和二极管），该当供给的最小应急量为2.54mm，如图5-13a所示。
巨型矩形元件（如变压器和扼流圈），应像图5-13b、c那么留有较大的应急量。
在印制板上安置晶体管，常使晶体管底座与板面贴合，如图5-14a所示。 这是一种不好的安置办法，由于引线的应急量不够，会引导焊点随印制板厚薄的热胀冷缩而断裂。
安置晶体管的几种较好本领如图5-14(b)～(e)所示。
6.1.3 印制板路轨热安排
印制板路轨起两个效率：导向和导热。
动作导热用时，应保护路轨与印制板之间有充满的交战压力和交战表面积，而且保护路轨与机箱壁有杰出的热交战。下图是少许典范的路轨构造及其热阻值。
6.1.4 印制板的有理间距
–对于依附天然透风散热的印制板，为普及它的散热功效，应商量气旋流向的有理性。
–对于普遍规格的印制板，竖直安置时的外表温升较程度安置时小。
–竖直安置的印制通路板，天然散热时的最小间距应为19mm，以提防天然震动的中断和阻碍。
6.2 散热器的采用
6.2.1 散热器的采用过程
按照元器件的热流密度、体积功率密度、温升诉求及散热办法（天然冷却、抑制风冷），决定能否加装散热器。
普遍地说，热流密度小于0.08W/cm2，沿用天然冷却办法；热流密度胜过0.08W/cm2， 体积功率密度超0.18W/cm3，须沿用抑制风冷办法。
固然，运用上述这个判据是有基础的：一是上述本领是假如热量平均散布在所有摆设的体积中；二是摆设内的热量能充溢地传到摆设外表。
按照器件功耗、情况前提及器件温度降额诉求的承诺结温，决定散热器的形势并经过计划，计划出散热器的外表积。
6.2.2 采用散热器，贬低散热器热阻
下图为安置于散热器上的功率器件等效热路图
RTj——功率器件的内热阻，常常由器件的创造厂家供给；
RTp——器件壳体径直向范围情况的换热热阻，称为器件的外热阻；
RTc——器件与散热器安置面之间的接 触热阻；
RTc——散热器热阻。
因为RTp宏大于其它热阻值，所以总热阻计划式为：
RT=RTj+RTc+RTf；
安排诉求功率器件的结温应满意：
tj=Pc（RTj+RTc+RTf）+tf≤tj，max；
6.2.3 还要提防的几点
1）散热器外表应举行氧化发黑处置,以巩固辐射换热功效。在天然对流情景下, 辐射换热效率较超过,不妨普及25%的散热量, 以是, 只有是器件邻近有高热源, 散热器外表都应涂覆或氧化发黑处置以普及辐射本能。
2）散热器的材料质量，普遍引荐采用铝材、铸铝或纯铜。
3）按照诉求，不妨采用枯燥式散热器、铝材散热器、叉指型散热器；也不妨采用热管散热器，冷板按散热器，热板（vapor chamber)散热器，石墨散热器。
4）铝材散热器的齿面应加涟漪齿，型材散热器的肋片外表减少涟漪不妨减少10%到20%的散热本领，涟漪齿的莫大为0.5mm，宽窄为0.5mm～1mm，以减少对流换热功效。
5）应保护铝材散热器基板有确定厚薄，以减小传导热阻。
6）散热器本能与笔直气旋目标的宽窄成正比，与气旋目标长度的平方根成正比，以是减少散热器宽窄的功效要好于减少长度；对于散热器的流向长度大于300mm，应把散热器的齿片从中央割断，以减少气氛扰动，普及对流换热功效。
6.2.4 散热器的安置诉求
1）器件与散热器的交战面应维持平坦晶莹,散热器的安置孔要去刺。
2）器件与散热器和导热绝缘膜间的一切交战面处应涂导热硅脂或加其它导热绝缘资料。
3）免涂导热硅脂的导热绝缘膜在交战面处不妨不涂导热硅脂
4）对于自然冷却方式，铝型材散热器的安装应使齿槽与水平面垂直，以增强自然对流的效果；对于强制冷却方式，铝型材散热器的安装应使齿槽与风的流动方向平行。
5）为降低器件与散热器的接触热阻，应适当加大接触力。为避免对组件施加压力，必须正确支撑散热器。
6.2.5 散热器加工工艺
①冲压冲压件
②铝型材
③铸造（铸造、压铸）
④粘合和型锻翅片
⑤折叠翅片组件（折叠齿）
⑥去皮
6.3 热管
热管的组成如下图所示：
热管主要由外壳、工作流体和毛细吸收层三部分组成。
通常外壳材料为纯铜；工作流体为纯水（用于其他用途的热管，工作流体也可以是其他类型），含量很少；槽型、筛型和烧结型，其中槽型和烧结型应用最为广泛。各种热管的优缺点如下表所示。
热管是一种导热率非常高的导热材料，可以达到30000W/m.℃以上，而且热管的热导率不是恒定的。在一定范围内，受热端温度越高，热管的导热系数越高。但是，当温度达到一定水平时，热管的导热系数会急剧下降，从而导致故障。因此，对于不同规格的热管，都有一个最大的传输功率。
7. 善后
今天的产品设计几乎肯定有热设计，没有热设计。产品很难找到，所以这一章是必须的。记住“传导、对流、辐射”三种热传导方式，面试的时候喜欢问他们。
还有一点简单的热模拟可以作为结构工程师学习，这也是一个加分点。
