文章來源：OFweek電子工程網
導讀: 在調試或維修電路的時候，我們常提到一個詞“××燒了”，這個××有時是電阻、有時是保險絲、有時是晶片，可能很少有人會追究這個詞的用法，為什麼不是用“壞”而是用“燒”？其原因就是在機電産品中，熱失效是最常見的一種失效模式.... 在調試或維修電路的時候，我們常提到一個詞“××燒了”，這個××有時是電阻、有時是保險絲、有時是晶片，可能很少有人會追究這個詞的用法，為什麼不是用“壞”而是用“燒”？其原因就是在機電産品中，熱失效是最常見的一種失效模式，電流過載，局部空間内短時間内通過較大的電流，會轉化成熱，熱聚。集不易散掉，導緻局部溫度快速升高，過高的溫度會燒毀導電銅皮、導線和器件本身。是以電失效的很大一部分是熱失效。
那麼問一個問題，如果假設電流過載嚴重，但該部位散熱極好，能把溫升控制在很低的範圍内，是不是器件就不會失效了呢？答案為“是”。
由此可見，如果想把産品的可靠性做高，一方面使裝置和零部件的耐高溫特性提高，能承受較大的熱應力（因為環境溫度或過載等引起均可）；另一方面是加強散熱，使環境溫度和過載引起的熱量全部散掉，産品可靠性一樣可以提高。下面介紹下熱設計的正常方法。
我們機電裝置常見的是散熱方式是散熱片和風扇兩種散熱方式，有時散熱的程度不夠，有時又過度散熱了，那麼何時應該散熱，哪種方式散熱最合适呢？這可以依據熱流密度來評估，熱流密度=熱量 / 熱通道面積。
按照《GJB/Z27-92電子裝置可靠性熱設計手冊》的規定（如圖1），根據可接受的溫升的要求和計算出的熱流密度，得出可接受的散熱方法。如溫升40℃（縱軸），熱流密度0.04W/cm2（橫軸），按下圖找到交叉點，落在自然冷卻區内，得出自然對流和輻射即可滿足設計要求。
大部分熱設計适用于上面這個圖表，因為基本上散熱都是通過面散熱。但對于密封裝置，則應該用體積功率密度來估算，熱功率密度=熱量 / 體積。下圖（圖2）是溫升要求不超過40℃時，不同體積功率密度所對應的散熱方式。比如某電源調整晶片，熱耗為0.01W，體積為0.125cm3，體積功率密度=0.1/0.125=0.08W/cm3，查下圖得出金屬傳導冷卻可滿足要求。
按照上圖，可以得出冷卻方法的選擇順序：自然冷卻一導熱一強迫風冷一液冷一蒸發冷卻。體積功率密度低于0.122W/cm3傳導、輻射、自然對流等方法冷卻；0.122-0.43W/cm3強迫風冷；0.43～O.6W/cm3液冷；大于0.6W/cm3蒸發冷卻。注意這是溫升要求40℃時的推薦參考值，如果溫升要求低于40℃，就需要對散熱方式降額使用，0.122時就需要選擇強迫風冷，如果要求溫升很低，甚至要選擇液冷或蒸發冷卻了。
這裡面還應注意一個問題，是不是強迫風冷能滿足散熱要求，我們就可以随便選擇風扇轉速呢，就好像說某件工作，專科學曆的知識水準即可勝任，是不是随便抓個大專生就能做好呢，當然不是，風扇的轉速與氣流流速有直接關系，這裡又涉及一個新概念——熱阻。
熱阻=溫度差 / 熱耗 （機關℃/W）
熱阻越小則導熱性能越好，這個概念等同于電阻，兩端的溫度差類似于電壓，傳導的熱量類似于電流。風道的熱阻涉及流體力學的一些計算，如果我們在熱設計方面要求不是很苛刻，可通過估算或實驗得出，如果要求很苛刻，可以查閱《GJB/Z27-92 電子裝置可靠性熱設計手冊》，裡面有很多系數、假設條件的組合，三言兩語說不清楚，個别系數我也沒搞明白如何與現實的風道設計結合，比如，風道中有一束電纜、風道的壁不是均勻的金屬闆，而是有高低不平帶器件的電路闆，對一些系數則隻能估算了，最準确的方式反而是實驗測量了。
熱阻更多的是用于散熱器的選擇，一般廠家都能提供這個參數。舉例，晶片功耗20W，晶片表面不能超過85℃，最高環境溫度55℃，計算所需散熱器的熱阻R。
計算：實際散熱器與晶片之間的熱阻近似為0.1℃/W，則（R+0.1）=（85-55） ℃/20W，則R=1.4℃/W。依據這個數值選散熱器就可以了。
這裡面注意一個問題，我們在計算中預設為熱耗≈晶片功率，對一般的晶片，我們都可以這樣估算，因為晶片中沒有驅動機構，沒有其他的能量轉換機會，大部分是通過熱量轉化掉了。而對于電源轉換類晶片或子產品，則不可以這樣算，比如電源，它是一個能源輸出，它的輸入電量一部分轉化成了熱，另外很大部分轉化成電能輸出了，這時候就不能認為熱耗≈功率。
以上部分是定量設計部分的内容，在有了一個定量的設計指導後，也有一些具體的工程技巧來幫助實作理論計算結果的要求。 一般的熱設計思路有三個措施：降耗、導熱、布局。
降耗是不讓熱量産生；導熱是把熱量導走不産生影響；布局是熱也沒散掉但通過措施隔離熱敏感器件；有點類似于電磁相容方面針對發射源、傳播路徑、敏感裝置的三個措施。
降耗是最原始最根本的解決方式，降額和低功耗的設計方案是兩個主要途徑，低功耗的方案需要結合具體的設計進行分析，不予贅述。器件選型時盡量選用發熱小的元器件，如片狀電阻、線繞電阻（少用碳膜電阻）；獨石電容、钽電容（少用紙介電容）；MOS、CMOS電路（少用鍺管）；訓示燈采用發光二極管或液晶屏 （少用白熾燈），表面安裝器件等。除了選擇低功耗器件外，對一些溫度敏感的特型元件進行溫度補償與控制也是解決問題的辦法之一，尤其是放大電路的電容電阻等定量測量關鍵器件。
降額是最需要考慮的降耗方式，假設一根細導線，标稱能通過10A的電流，電流在其上産生的熱量就較多，把導線加粗，增大餘量，标稱通過20A的電流，則同樣都是通過10A電流時，因為内阻産生的熱損耗就會減小，熱量就小。而且因為降額，在環境溫度升高時，器件性能下降情況下，但因為有餘量，即使性能下降，也能滿足要求，這是降額對于增強可靠性的另一個作用，将是另一篇部落格文章的内容。
導熱的設計規範比較多，挑一些比較常見的羅列：
1.進風口和出風口之間的通風路徑須經過整個散熱通道，一般進風口在機箱下側方角上，出風口在機箱上方與其最遠離的對稱角上；
2.避免将通風孔及排風孔開在機箱頂部朝上或面闆上；
3.為防止氣流回流，進口風道的橫截面積應大于各分支風道截面積之和；
4.對靠近熱源的熱敏元件，采用實體隔離法或絕熱法進行熱屏蔽。熱屏蔽材料有：石棉闆、矽橡膠、泡沫塑膠、環氧玻璃纖維闆，也可用金屬闆和澆滲金屬膜的陶瓷；
5.将散熱》1w的零件安裝在機座上，利用底闆做為該器件的散熱器，前提是機座為金屬導熱材料；
6.熱管安裝在熱源上方且管與水準面夾角須》30度；
7.PCB用多層闆結構（對EMC也有非常非常大的好處），使電源線或地線在電路闆的最上層或最下層…
8.熱源器件專門設計在一個印制闆上，并密封、隔離、接地和進行散熱處理；
9.散熱裝置（熱槽、散熱片、風扇）用措施減少熱阻：
（1）擴大輻射面積，提高發熱體黑度；
（2）提高接觸表面的加工精度，加大接觸壓力或墊入軟的可展性導熱材料；
（3）散熱器葉片要垂直印制闆；
（4）大熱源器件散熱裝置直接裝在機殼上；
10.密封電子裝置内外均塗黑漆可輔助散熱；為避免輻射熱影響熱敏器件、熱源屏蔽罩内面的輻射能力要強(塗黑)，外面光滑(不影響熱敏器件)，通過熱傳導散熱。
11.密封電子裝置機殼内外有肋片，以增大對流和輻射面積。
12.不重複使用冷卻空氣；
13.為了提高主要發熱元件的換熱效率、可将元件裝入與其外形相似的風道内。
14.抽鼓風冷卻方式的選擇…
15.風機的選擇…
16.被散熱器件與散熱器之間充填導熱膏(脂)，以減小接觸熱阻；
17.被散熱器件與散熱器之間要有良好的接觸，接觸表面光滑、平整，接觸面粗糙度Ra≤6.3μm；
18.輻射是真空中傳熱的唯一方法，1確定熱源具有高的輻射系數，如果處于嵌埋狀态，利用金屬傳熱器傳至冷卻裝置上；2增加輻射黑度ε；3增加輻射面積s；4輻射體對于吸收體要有良好的視角，即角系數φ要大；5不希望吸收熱量的零部件，壁光滑易于反射熱。
19.機殼表面溫度不高于環境溫度10℃
20.液體冷卻設計注意事項…
21.半導體緻冷适用于…
22.變壓器和電感器熱設計檢查項目…
23.減小強迫對流熱阻的措施…
24. 降低接觸熱阻的措施…
布局：
1.元器件布局減小熱阻的措施：
(1)元器件安裝在最佳自然散熱的位置上；
(2)元器件熱流通道要短、橫截面要大和通道中無絕熱或隔熱物；
(3)發熱元件分散安裝；
(4)元器件在印制闆上豎立排放。
2.元器件排放減少熱影響：
(1)有通風口的機箱内部，電路安裝應服從空氣流動方向：進風口→放大電路→邏輯電路→敏感電路→內建電路→小功率電阻電路→有發熱元件電路→出風口，構成良好散熱通道；
(2)發熱元器件要在機箱上方，熱敏感元器件在機箱下方，利用機箱金屬殼體作散熱裝置。
3.合理布局準則：
(1)将發熱量大的元件安裝在條件好的地方，如靠近通風孔；
(2)将熱敏元件安裝在熱源下面。零件安裝方向橫向面與風向平行，利于熱對流。
(3)在自然對流中，熱流通道盡可能短，橫截面積應盡量大；
(4)冷卻氣流流速不大時，元件按叉排方式排列，提高氣流紊流程度、增加散熱效果；
(5)發熱元件不安裝在機殼上時，與機殼之間的距離應>35~40cm
4.冷卻内部部件的空氣進口須加過濾裝置，且不必拆開機殼即可更換或清洗。
5.設計上避免器件工作熱環境的穩定性，以減輕熱循環與沖擊而引起的溫度應力變化。溫度變化率不超過1℃/min，溫度變化範圍不超過20℃，此名額要求可根據産品不同由廠家自行調整。
6.元器件的冷卻劑及冷卻方法應與所選冷卻系統及元件相适應，不會是以産生化學反應或電解腐蝕。
7.冷卻系統的電功率一般為所需冷卻熱功率的3%一6%；
8.冷卻時，氣流中含有水分，溫差過大，會産生凝露或附着，防止水份及其它污染物等導緻電氣短路、電氣間隙減小或發生腐蝕。措施：1冷卻前後溫差不要過大；2溫差過大會産生凝露的部位，水分不會造成堵塞或積水，如果有積水，積水部位的材料不會發生腐蝕；4對裸露的導電金屬加熱縮套管或其他遮擋絕緣措施；