現代電子產品離不開熱設計。如果沒有熱設計，你的產品會越來越熱。典型的是夏季筆記本和口袋里的智能手機。原因如下：
1)系統集成度越來越高；
2)廣泛使用大功耗器件；
3)系統容量大，產品體積小；
4)環境適應性要求越來越高(比如戶外產品越來越多)。
熱對電子可靠性的影響如下：
1)電子產品可靠性(壽命)故障的40%以上是由溫度問題引起的:電子零件的溫度上升10度，壽命下降一半。
2)電子設備的性能隨工作溫度的升高而變化(電容最明顯)。
2.熱設計概念
綜合利用傳導、對流、輻射三種換熱手段，將發熱源設計為低熱阻通道，以滿足設備散熱要求。
3.熱設計目的
熱設計的目的是確保產品在指定的環境規格下正常工作，達到產品的可靠性目標，滿足產品各部分溫升的限制性要求。
熱設計目標是可靠性目標的一部分。
4.對流、傳導和輻射的概念
熱量總是自發地從高溫區傳遞到低溫區，或者從物體的高溫部分傳遞到低溫部分。有三種傳遞方式：
1）傳導
2）對流
3）輻射
4.1 傳導
當物體直接接觸傳導時， 能量交換通過分子間動能傳遞。
公式：Q = K A △t / L
Q ---- 傳導散熱， W
K ---- 導熱系數, W/m·℃
A ---- 導體橫截面積， m2
△t ---- 傳熱路徑兩端溫差， ℃
L ---- 傳熱路徑長度， m
常用材料的導熱系數：
鋁約180，壓鑄鋁120，鐵約40 、銅390(但銅的密度是鋁的3倍，重量，價格)，石墨是各向異性，x方向是10，Y，Z方向可達600，重量輕。
導熱系數大，內部溫差小。
熱管是一種傳熱能力極高的結構，其導熱系數可達1萬以上。
我們經常在芯片和散熱器之間添加導熱（絕緣）材料，因為兩個表面不均勻，中間有空氣，需要填充導熱性好的材料。材料需要良好的形狀適應性，盡可能薄和高壓（注意芯片能承受的最大壓力）；
常見的導熱介質材料包括導熱膠、導熱硅脂、導熱軟硅膠墊片、導熱云母片、導熱相變材料等。
由于導熱硅脂具有良好的填充性，熱阻小于其他導熱絕緣材料；
目前常用導熱硅脂的導熱系數為0.8~1，但也有2、4、5，最大可達10。
4.2 對流
當流體通過固體表面時，對流是流體與固體交換。
公式： Q = hc A △t
Q ---- 對流散熱量， W
hC ---- 換熱系數, W/m2·℃
A ---- 有效的換熱面積， m2
△t ---- 換熱表面與流體溫差， ℃
對流換熱與表面流速和換熱面積有關。我們使用散熱器，本質上是為了增加換熱面積；
當速度增加到一定程度時，換熱量的增加并不明顯；
一般情況下，插箱單板間的風速在風機強制冷卻時可超過1m/s。
4.3 輻射
輻射是通過電磁波傳遞熱量的過程。
公式：Q = ε · σ · T4
Q ---- 輻射散熱， W
ε ---- 散熱表面輻射率， W/m2·℃
σ---- 斯蒂芬-玻爾茲曼常數， 5.67×108(W/m2K4)
T ---- 絕對溫度, K
輻射換熱主要要求溫差大；
影響輻射率的因素：材料、表面粗糙度、波長等；
對于室外設備，輻射率大，吸收率大，應注意防輻射措施；
對于自然散熱的情況，必須考慮輻射散熱，這時，輻射散熱是一種重要的散熱方法；對于強迫冷卻的設備，可以忽略輻射散熱。
5.熱設計過程
熱設計結構應用于各種機械行業。
所謂的熱設計大多是指散熱設計，但作者也接觸過PTC事實上，加熱產品也屬于熱設計。
根據產品的不同，其結構變化很大，因此很難有固定的標準。但總體設計軌跡仍有軌跡可找，其細節有許多相應的標準和文檔數據可找到。根據總章程的流程設計可以遵循軌跡的特點。
1)明確分析設計要求；(針對事物的問題)
2)選擇合適的標準和文檔；
三、照章辦事；
4)專業表現；
5)特征優化:書面形式的上升空間；
6）平時的積累，為第二步做準備。
5.1 明確分析設計要求；(針對事物的問題)
機械也有很多子行業，不同行業對熱設計的要求非常不同。就像作者上面的加熱設計和散熱設計不可能一樣。
一般對熱設計要求如下：
1)溫度要求；
2)溫升等級；
3)壓力(或高度)；
4)太陽或周圍其他物體的輻射熱載荷；
5)可用的熱沉狀態(包括類型、溫度、壓力和濕度等)；
6）冷卻劑的種類、溫度、壓力和允許的壓降
熱設計必須符合要求規范和測試要求。
如有要求規格書，規格書必須對上述熱設計要求有詳細規定。
因此，對規格書的解釋在設計之前是非常重要的常被從業者忽視)。
如果您自己設計或沒有規格，您需要根據國家行業的要求收集相關的測試標準，因此產品注重質量會更麻煩，但您可以參考同一行業強大公司的規格。
設計要求得到的方法具體做法詳見：
高階篇：4.1）QFDI(客戶需求轉換為設計要求)
了解自己的行業環境，明確熱設計要求，是做好設計的第一步。
5.2 對癥選擇合適的標準和文檔資料
熱設計過程分為兩步：
5.2.1 選擇合適結構的熱設計
大多數熱設計的目的是散熱，即冷卻，而不是加熱。因此，作者直接通過冷卻（加熱設計可設計可參考）。
1)冷卻方法的分類包括:
①根據冷卻劑與被冷元件的配置關系
a. 直接冷卻
b. 間接冷卻
②按傳熱機理
a. 自然冷卻(包括導熱、自然對流和輻射換熱的單獨作用或兩種以上換熱形式的組合)
b. 強迫冷卻(包括強迫冷卻和強迫液體冷卻)
c. 蒸發冷卻
d. 熱電致冷
e. 熱管傳熱
f. 其它冷卻方法
2)在選擇冷卻方法時，主要考慮熱流密度、體積功率密度、溫升、使用環境、用戶要求等。
注意：
①確保所采用的冷卻方法具有較高的可靠性；
②冷卻方法應適應性好；
③冷卻方法應便于測試、維護和更換；
④冷卻方法應具有良好的經濟性；
3）自然散熱
當電子設備的熱流密度小于0時.08w/cm2.體積功率密度不超過0.18w/cm3.自然對流冷卻通常可以使用。自然對流冷卻是利用空氣流過物體表面時的能量交換，利用空氣密度和溫度關系（熱空氣上升）帶走熱量。
在自然散熱中，應考慮傳導、對流和輻射。
4）強迫風冷
當電子設備的熱流密度超過0時.08w/cm2.體積功率密度超過0.18w/cm3.自然冷卻不能完全解決其冷卻問題，需要強制空氣冷卻的外部動力。
強迫空氣冷卻通常使用通風機，使冷卻空氣通過電子元件帶走熱量。
5）熱阻
當熱量以熱傳導的形式在物體內傳遞時，遇到的阻力稱為導熱阻。
熱流(功耗)通常模擬為電流；溫差模擬為電壓；熱阻模擬為電阻。
降低傳熱熱阻的方法有幾種:
6)選擇散熱結構時，一般準確的流程如下:
①根據傳熱機制選擇散熱方式，如自然冷卻；
②從對流、傳導和輻射三種熱傳導方法中選擇合適的結構，形成自然冷卻。自然冷卻應考慮三種熱傳導方法。
因為每個行業的熱要求都會有很大的不同，所采用的主要手段也會有很大的不同。因此，建議比較基準產品，選擇合適的熱設計結構，是最安全的。記住在這里，自我心爆炸，隨意選擇熱設計結構，優缺點。
比如標桿產品選擇強制冷卻(水冷或風冷)而不是自然冷卻是有原因的，千萬不要隨意改變。
理由詳見：
①標桿產品的拆解與分析(benchmarking)
②階篇：4.3.3）DFMEA現有設計：預防控制和探測控制
作者將單獨開一個小節，列出一些例子作為參考。
5.2.2 選擇該熱設計結構對應的標準
很少有嚴格的熱設計結構構的嚴格標準很少，作者看到的熱設計文檔大多是參考性質。
因此，在設計過程中，需要確定熱設計結構的細節特征，并在此結構范圍內再次細化標準的搜索，直到找到最小特征的標準。
如PCB首先確定版本的熱設計PCB版本需要設計，然后參考PCB熱設計實例確認了熱設計的傳熱機，以及對流、傳導和輻射的組合，最后根據供應商的標準確定具體尺寸和技術要求、公差等。
5.3 照章辦事
5.3.1 耐心解讀標準
由于熱設計結構的標準不完善，即使是好供應商提供的標準也難以說是正確和完善的，因此通讀、理解和梳理這些不完善的標準需要耐心和專業素質。
5.3.2 作圖
材質，尺寸與公差，測試等要求，都是要在圖紙上表現。規范的圖紙是實力的體現。
5.3.3 熱仿真分析
由于缺乏純手動計算，有熱仿真技術來代替計算書，機械熱仿真的要求越高。
還別說，最近作者發現很多公司對熱設計仿真都有要求，這是對結構工程師的一個加分項目，可以多學學。
模擬的步驟實際上是相似的，但基于流體分析的細節，一些模擬將非常困難，但也建議結構工程師可以嘗試一些初步的熱模擬（如單板級以下）。
熱仿真分析范圍包括：
①統級分析：著眼于機柜、插箱等整個系統，分析整個系統的流場、溫度分布；
②單板級分析
給定單板的局部環境，分析單板上芯片的散熱情況，優化設備布板與單板的接地、過孔等設計；
③芯片級分析
建立芯片的詳細包裝模型，分析芯片內部的溫度分布。芯片模型包括物理模型和熱阻模型。
5.4 專業表現
1）圖紙；
產品的熱設計圖紙包括熱傳導路徑上的所有部件。
2)熱仿真分析結果；
審核時請檢查這兩件事。
5.5 特征優化：書面形式的上升空間
以書面形式表達熱結構的優化設計方法可寫在熱仿真分析報告中。
熱設計結構的優化方向如下：
1)熱設計結構各參數優化(模擬工程師工作范圍)；
2)熱設計結構方向優化:如將自然冷卻改為強制冷卻(結構工程師的工作范圍)。
5.6 為第二步做準備
由于沒有一步一步的設計標準，平時的積累尤為重要。
具體原因見對癥設計總章節，這里就不解釋了。
6. 熱設計實例
本文介紹了一些熱設計的例子，可作為標桿設計的參考。
6.1 PCB板熱設計
6.1.1 采用散熱PCB
–印刷電路板上涂有金屬導熱板；
–印刷線路板上涂有金屬導熱條；
–導熱金屬芯夾在印刷電路板中間。
導熱印制板在安排時要更加提防：因為非金屬和環氧玻璃絲板的熱伸展系數分辨較大，如膠接不妥，大概惹起通路板翹曲。
6.1.2 印制板上電子元器件的熱安置本領
安置在印制板上的元器件的冷卻，重要依附導熱供給一條從元器件到印制板及機箱側壁的低熱阻路途。元器件與散熱印制板的安置情勢如次圖所示。
①為貶低從器件殼體至印制板的熱阻，可用導熱絕緣膠徑直將元器件粘到印制板或導熱條（板）上。若不必粘結，應盡管減小元器件與印制板或導熱條（板）間的間歇。
②安置大功率器件時，若沿用絕緣片，可商量導熱硅橡軟片。為了減小界面熱阻，還應在界面涂一層薄的導熱膏。
③同一塊印制板上的元器件，應按其發燒量巨細及耐熱水平分區陳設，耐熱性差的器件放在冷卻氣旋的最上流（進口處），耐熱性好的器件放在最卑劣（出口處）。
④有大、小范圍集成通路攙和安置的情景下，應盡管把大范圍集成通路放在冷卻氣旋的上流，小范圍集成通路放在卑劣，以使印制板上元器件的溫升趨于平均。
⑤因電子擺設的處事溫度范疇較寬，元器件引線和印制板的熱伸展系數不普遍，在溫度輪回變革及高溫前提下，應提防采廢除除熱應力的少許構造辦法。如次圖所示。
對于具備軸向引線的圓柱形元件（如電阻、庫容和二極管），該當供給的最小應急量為2.54mm，如圖5-13a所示。
巨型矩形元件（如變壓器和扼流圈），應像圖5-13b、c那么留有較大的應急量。
在印制板上安置晶體管，常使晶體管底座與板面貼合，如圖5-14a所示。 這是一種不好的安置辦法，由于引線的應急量不夠，會引導焊點隨印制板厚薄的熱脹冷縮而斷裂。
安置晶體管的幾種較好本領如圖5-14(b)～(e)所示。
6.1.3 印制板路軌熱安排
印制板路軌起兩個效率：導向和導熱。
動作導熱用時，應保護路軌與印制板之間有充滿的交戰壓力和交戰表面積，而且保護路軌與機箱壁有杰出的熱交戰。下圖是少許典范的路軌構造及其熱阻值。
6.1.4 印制板的有理間距
–對于依附天然透風散熱的印制板，為普及它的散熱功效，應商量氣旋流向的有理性。
–對于普遍規格的印制板，豎直安置時的外表溫升較程度安置時小。
–豎直安置的印制通路板，天然散熱時的最小間距應為19mm，以提防天然震動的中斷和阻礙。
6.2 散熱器的采用
6.2.1 散熱器的采用過程
按照元器件的熱流密度、體積功率密度、溫升訴求及散熱辦法（天然冷卻、抑制風冷），決定能否加裝散熱器。
普遍地說，熱流密度小于0.08W/cm2，沿用天然冷卻辦法；熱流密度勝過0.08W/cm2， 體積功率密度超0.18W/cm3，須沿用抑制風冷辦法。
固然，運用上述這個判據是有基礎的：一是上述本領是假如熱量平均散布在所有擺設的體積中；二是擺設內的熱量能充溢地傳到擺設外表。
按照器件功耗、情況前提及器件溫度降額訴求的承諾結溫，決定散熱器的形勢并經過計劃，計劃出散熱器的外表積。
6.2.2 采用散熱器，貶低散熱器熱阻
下圖為安置于散熱器上的功率器件等效熱路圖
RTj——功率器件的內熱阻，常常由器件的創造廠家供給；
RTp——器件殼體徑直向范圍情況的換熱熱阻，稱為器件的外熱阻；
RTc——器件與散熱器安置面之間的接 觸熱阻；
RTc——散熱器熱阻。
因為RTp宏大于其它熱阻值，所以總熱阻計劃式為：
RT=RTj+RTc+RTf；
安排訴求功率器件的結溫應滿意：
tj=Pc（RTj+RTc+RTf）+tf≤tj，max；
6.2.3 還要提防的幾點
1）散熱器外表應舉行氧化發黑處置,以鞏固輻射換熱功效。在天然對流情景下, 輻射換熱效率較超過,不妨普及25%的散熱量, 以是, 只有是器件鄰近有高熱源, 散熱器外表都應涂覆或氧化發黑處置以普及輻射本能。
2）散熱器的材料質量，普遍引薦采用鋁材、鑄鋁或純銅。
3）按照訴求，不妨采用枯燥式散熱器、鋁材散熱器、叉指型散熱器；也不妨采用熱管散熱器，冷板按散熱器，熱板（vapor chamber)散熱器，石墨散熱器。
4）鋁材散熱器的齒面應加漣漪齒，型材散熱器的肋片外表減少漣漪不妨減少10%到20%的散熱本領，漣漪齒的莫大為0.5mm，寬窄為0.5mm～1mm，以減少對流換熱功效。
5）應保護鋁材散熱器基板有確定厚薄，以減小傳導熱阻。
6）散熱器本能與筆直氣旋目標的寬窄成正比，與氣旋目標長度的平方根成正比，以是減少散熱器寬窄的功效要好于減少長度；對于散熱器的流向長度大于300mm，應把散熱器的齒片從中央割斷，以減少氣氛擾動，普及對流換熱功效。
6.2.4 散熱器的安置訴求
1）器件與散熱器的交戰面應維持平坦晶瑩,散熱器的安置孔要去刺。
2）器件與散熱器和導熱絕緣膜間的一切交戰面處應涂導熱硅脂或加其它導熱絕緣資料。
3）免涂導熱硅脂的導熱絕緣膜在交戰面處不妨不涂導熱硅脂
4）對于自然冷卻方式，鋁型材散熱器的安裝應使齒槽與水平面垂直，以增強自然對流的效果；對于強制冷卻方式，鋁型材散熱器的安裝應使齒槽與風的流動方向平行。
5）為降低器件與散熱器的接觸熱阻，應適當加大接觸力。為避免對組件施加壓力，必須正確支撐散熱器。
6.2.5 散熱器加工工藝
①沖壓沖壓件
②鋁型材
③鑄造（鑄造、壓鑄）
④粘合和型鍛翅片
⑤折疊翅片組件（折疊齒）
⑥去皮
6.3 熱管
熱管的組成如下圖所示：
熱管主要由外殼、工作流體和毛細吸收層三部分組成。
通常外殼材料為純銅；工作流體為純水（用于其他用途的熱管，工作流體也可以是其他類型），含量很少；槽型、篩型和燒結型，其中槽型和燒結型應用最為廣泛。各種熱管的優缺點如下表所示。
熱管是一種導熱率非常高的導熱材料，可以達到30000W/m.℃以上，而且熱管的熱導率不是恒定的。在一定范圍內，受熱端溫度越高，熱管的導熱系數越高。但是，當溫度達到一定水平時，熱管的導熱系數會急劇下降，從而導致故障。因此，對于不同規格的熱管，都有一個最大的傳輸功率。
7. 善后
今天的產品設計幾乎肯定有熱設計，沒有熱設計。產品很難找到，所以這一章是必須的。記住“傳導、對流、輻射”三種熱傳導方式，面試的時候喜歡問他們。
還有一點簡單的熱模擬可以作為結構工程師學習，這也是一個加分點。
