从零开始学散热
目录
前言
致谢
第1章 电子产品热设计的意义 1
1.1 温度对电子产品的影响 1
1.2 温度对芯片的影响机理 2
1.2.1 热应力和热应变 2
1.2.2 器件炸裂 4
1.2.3 腐蚀 4
1.2.4 氧化物分解 5
查看完整
前言
致谢
第1章 电子产品热设计的意义 1
1.1 温度对电子产品的影响 1
1.2 温度对芯片的影响机理 2
1.2.1 热应力和热应变 2
1.2.2 器件炸裂 4
1.2.3 腐蚀 4
1.2.4 氧化物分解 5
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陈继良（Leon Chen），中国科学院工程热物理学硕士，中国热设计网联合创始人。曾致力于多孔介质内流体传热传质研究，后长期从事电子产品热设计技术工作，主导多款智能穿戴、人工智能硬件、智能家居、汽车电子、服务器、通讯设备等热和噪声控制设计方案。
《从零开始学散热》从一名热设计工程师具体技术工作层面出发，提出了一系列如何保证热设计方案合理性的问题，并以一些实际的产品为例，进行了解释说明。《从零开始学散热》内容涉及电子产品热设计的意义，热设计理论基础，热设计研发流程，散热方式的选择，芯片封装和电路板的热特性，散热器的设计，导热界面材料的选型设计，风扇的选型设计，热管和均温板，热设计中的噪声，风扇调速策略的制定和验证，热电冷却器、换热器和机柜空调，液冷设计，热测试，热仿真软件的功能、原理和使用方法，常见电子产品热设计实例，热、电、磁的结合等。《从零开始学散热》详细地记录了一名热设计工程师热设计思维形成过程，希望能帮助读者形成自己的设计思维，从而能够应对任何从未遇到过的热问题。
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前言
致谢
第1章 电子产品热设计的意义 1
1.1 温度对电子产品的影响 1
1.2 温度对芯片的影响机理 2
1.2.1 热应力和热应变 2
1.2.2 器件炸裂 4
1.2.3 腐蚀 4
1.2.4 氧化物分解 5
1.2.5 芯片功耗 5
1.2.6 电气性能变化 6
1.3 解决芯片热可靠性的两个维度 6
1.4 热设计方案的评估标准 7
1.5 本章小结 7
参考文献 8
第2章 热设计理论基础 9
2.1 热和温度 9
2.1.1 热动说和热质说 9
2.1.2 温度的物理意义 11
2.2 传热学 12
2.2.1 热传导 12
2.2.2 热对流 15
2.2.3 热辐射 16
2.3 热力学 19
2.3.1 热力学第一定律 19
2.3.2 热力学第二定律 19
2.3.3 热力学第三定律 20
2.3.4 热力学第零定律 20
2.3.5 理想气体定律 21
2.4 流体力学 22
2.4.1 流体的重要性质———黏性 22
2.4.2 流体压强———静压、动压和总压
2.4.3 表压、真空度和绝对压强 25
2.4.4 流体流动状态———层流和湍流
2.5 扩展阅读:导热系数的本质 27
2.6 本章小结 28
参考文献 28
第3章 热设计研发流程 30
3.1 需求分析 31
3.2 概念设计 33
3.3 详细设计 34
3.4 测试验证 34
3.5 回归分析 34
3.6 发布与维护 35
3.7 本章小结 35
参考文献 35
第4章 散热方式的选择 36
4.1 散热方式选择的困难性 36
4.2 自然散热 39
4.3 强迫风冷 39
4.4 间接液冷 40
4.5 直接液冷 41
4.6 本章小结 42
参考文献 42
第5章 芯片封装和电路板的热特性 43
5.1 IC芯片封装概述 43
5.2 芯片封装热特性 44
5.2.1 芯片热特性基础 44
5.2.2 热阻的概念 45
5.2.3 芯片热特性的热阻描述 46
5.3 芯片封装热阻的影响因素 49
5.3.1 封装尺寸 49
5.3.2 封装材料 50
5.3.3 热源尺寸 50
5.3.4 单板尺寸和导热系数 51
5.3.5 芯片发热量以及外围气流速度
5.4 实验测量时结温的反推计算公式 52
5.5 常见的芯片封装及其热特性 52
5.5.1 球栅阵列式封装 54
5.5.2 晶体管外形封装 55
5.5.3 四边扁平封装 55
5.5.4 四边/双边无引脚扁平封装 56
5.5.5 封装演变趋势和热设计面临的机遇与挑战
5.6 印制电路板热特性及其在热设计中的关键作用
5.6.1 PCB热传导特点 58
5.6.2 PCB铜层敷设准则———热设计角度
5.6.3 热过孔及其设计注意点 60
5.7 本章小结 62
参考文献 63
第6章 散热器的设计 64
6.1 散热器设计需考虑的方面 64
6.1.1 发热源热流密度 64
6.1.2 元器件温度要求和工作环境 66
6.1.3 产品内部空间尺寸 67
6.1.4 散热器安装紧固力 67
6.1.5 成本考量 68
6.1.6 外观设计 68
6.2 几种常见的散热器优化设计思路 68
6.2.1 热传导———优化散热器扩散热阻
6.2.2 对流换热———强化对流换热效率
6.2.3 辐射换热———选择合适的表面处理方式
6.2.4 总结 72
6.3 散热器设计注意点汇总 72
6.4 本章小结 73
参考文献 73
第7章 导热界面材料的选型设计 74
7.1 为什么需要导热界面材料 74
7.2 导热界面材料的定义及种类 75
7.2.1 导热界面材料定义 75
7.2.2 导热界面材料的种类 75
7.3 导热界面材料的选用关注点 80
7.3.1 材料自身属性 80
7.3.2 应用场景因素 82
7.4 导热界面材料的实际运用 83
7.4.1 导热硅脂的实际运用 83
7.4.2 导热衬垫的实际运用 83
7.4.3 导热填缝剂的实际运用 85
7.4.4 石墨片的实际运用 85
7.5 导热界面材料选用的复杂性 86
7.6 本章小结 87
参考文献 87
第8章 风扇的选型设计 88
8.1 几何尺寸 89
8.2 确定风量 89
8.3 确定风扇风压 91
8.4 平行翅片散热器流阻计算 92
8.5 风扇的抽风和吹风设计 96
8.5.1 抽风设计 96
8.5.2 吹风设计 96
8.6 风扇转速控制方式 97
8.7 风扇噪声考量 97
8.8 风扇相似定理 98
8.9 风扇寿命可靠性 99
8.10 风扇失速区 100
8.11 风扇选型方法汇总 101
8.12 散热器和风扇的综合设计 102
8.13 本章小结 103
参考文献 104
第9章 热管和均温板 105
9.1 热管和均温板的特点和典型应用 105
9.2 热管和VC的基本工作原理 106
9.3 热管和VC的性能指标 108
9.4 超薄热管和超薄VC 109
9.5 热管和VC产品要考虑的细观因素 111
9.6 本章小结 111
参考文献 112
第10章 热电冷却器、换热器和机柜空调 113
10.1 热电冷却原理 113
10.2 热电冷却器在电子散热中的优缺点 114
10.3 热电冷却器的选型步骤 115
10.3.1 确定工作电流 116
10.3.2 确定工作电压 117
10.3.3 确定COP值和选择高效TEC的迭代方式 117
10.3.4 TEC与系统的匹配 118
10.4 换热器工作原理 118
10.5 换热器的选型 119
10.5.1 确定需求 120
10.5.2 计算换热效率 120
10.6 机柜空调 122
10.7 本章小结 124
参考文献 125
第11章 液冷设计 126
11.1 液冷设计概述 126
11.1.1 直接液冷 126
11.1.2 间接液冷 127
11.2 液冷散热的特点 128
11.3 液冷系统的分类与组成 128
11.3.1 封闭式单循环系统 128
11.3.2 封闭式双循环系统 129
11.3.3 开放式系统 129
11.3.4 半开放式系统 130
11.4 液冷设计各部分注意点 130
11.4.1 液体工质选择 130
11.4.2 冷板的设计 132
11.4.3 冷管和接头 133
11.4.4 泵的选择 134
11.4.5 冷排/换热器的选型设计 137
11.4.6 其他附件 138
11.5 冷板散热器的设计步骤和常见加工工艺 139
11.5.1 计算流量 140
11.5.2 确定冷板材质 140
11.5.3 流道设计 141
11.5.4 冷板类型及其优缺点 142
11.6 本章小结 143
参考文献 143
第12章 热设计中的噪声 145
12.1 热设计与噪声的关系 145
12.2 声音基础知识概述 145
12.2.1 声音的本质 145
12.2.2 噪声产生的原因 145
12.2.3 声音的几个关键参数 146
12.3 声音的分析 149
12.3.1 频程与频谱 149
12.3.2 响度与响度级 150
12.3.3 计权声级 152
12.4 声音的传播 153
12.5 电子产品热设计中的噪声 153
12.5.1 气动噪声 154
12.5.2 机械噪声 155
12.5.3 电磁噪声 155
12.6 噪声测量 155
12.7 噪声控制设计 156
12.7.1 控制声源 156
12.7.2 控制传声路径 156
12.7.3 控制声音接收者 158
12.8 噪声仿真 158
12.9 本章小结 158
参考文献 158
第13章 风扇调速策略的制定和验证 160
13.1 为什么要对风扇进行调速 160
13.2 风扇智能调速的条件 161
13.2.1 风扇转速必须可控 161
13.2.2 必须有可实时反馈产品散热风险的温度传感器 162
13.2.3 系统中必须内置有效的风扇调速程序 163
13.3 风扇调速策略的设计 164
13.3.1 温度传感器的布置 164
13.3.2 风扇调速策略整定步骤 165
13.4 异常情况的风扇转速应对 169
13.5 本章小结 169
第14章 热测试 171
14.1 热测试的目的和内容 171
14.2 热测试注意事项 171
14.2.1 确保设备的配置和负载与测试工况对应
14.2.2 确保设备使用的散热物料与设计方案一致
14.2.3 根据散热方式选择合适的测试环境
14.2.4 关注测试读取结果数据的稳定性
14.3 温度测试 173
14.3.1 热测试设备 173
14.3.2 接触式测温 174
14.3.3 非接触式测温 175
14.4 热测试常用的设备仪器 179
14.5 撰写热测试报告 181
14.6 本章小结 182
参考文献 182
第15章 热仿真软件的功能、原理和使用方法 183
15.1 热仿真的作用 183
15.2 热仿真的基本原理 183
15.3 热仿真软件的选择 186
15.4 热仿真软件的合理使用 188
15.4.1 信息收集 189
15.4.2 几何建模和属性赋值 189
15.4.3 网格划分 190
15.4.4 模型设置 192
15.4.5 求解计算和后处理 193
15.5 本章小结 194
第16章 常见电子产品热设计实例 195
16.1 自然散热产品 195
16.2 强迫风冷设计 212
16.3 液冷和风冷的混合冷却 221
16.4 动力电池热管理 223
16.5 本章小结 232
参考文献 233
第17章 热、电、磁的结合 234
17.1 一些电磁学概念 235
17.2 信号传输 245
17.3 电磁兼容、电磁屏蔽以及对热设计的影响
17.4 本章小结 253
参考文献 254
后记 256
^ 收 起
前言
致谢
第1章 电子产品热设计的意义 1
1.1 温度对电子产品的影响 1
1.2 温度对芯片的影响机理 2
1.2.1 热应力和热应变 2
1.2.2 器件炸裂 4
1.2.3 腐蚀 4
1.2.4 氧化物分解 5
1.2.5 芯片功耗 5
1.2.6 电气性能变化 6
1.3 解决芯片热可靠性的两个维度 6
1.4 热设计方案的评估标准 7
1.5 本章小结 7
参考文献 8
第2章 热设计理论基础 9
2.1 热和温度 9
2.1.1 热动说和热质说 9
2.1.2 温度的物理意义 11
2.2 传热学 12
2.2.1 热传导 12
2.2.2 热对流 15
2.2.3 热辐射 16
2.3 热力学 19
2.3.1 热力学第一定律 19
2.3.2 热力学第二定律 19
2.3.3 热力学第三定律 20
2.3.4 热力学第零定律 20
2.3.5 理想气体定律 21
2.4 流体力学 22
2.4.1 流体的重要性质———黏性 22
2.4.2 流体压强———静压、动压和总压
2.4.3 表压、真空度和绝对压强 25
2.4.4 流体流动状态———层流和湍流
2.5 扩展阅读:导热系数的本质 27
2.6 本章小结 28
参考文献 28
第3章 热设计研发流程 30
3.1 需求分析 31
3.2 概念设计 33
3.3 详细设计 34
3.4 测试验证 34
3.5 回归分析 34
3.6 发布与维护 35
3.7 本章小结 35
参考文献 35
第4章 散热方式的选择 36
4.1 散热方式选择的困难性 36
4.2 自然散热 39
4.3 强迫风冷 39
4.4 间接液冷 40
4.5 直接液冷 41
4.6 本章小结 42
参考文献 42
第5章 芯片封装和电路板的热特性 43
5.1 IC芯片封装概述 43
5.2 芯片封装热特性 44
5.2.1 芯片热特性基础 44
5.2.2 热阻的概念 45
5.2.3 芯片热特性的热阻描述 46
5.3 芯片封装热阻的影响因素 49
5.3.1 封装尺寸 49
5.3.2 封装材料 50
5.3.3 热源尺寸 50
5.3.4 单板尺寸和导热系数 51
5.3.5 芯片发热量以及外围气流速度
5.4 实验测量时结温的反推计算公式 52
5.5 常见的芯片封装及其热特性 52
5.5.1 球栅阵列式封装 54
5.5.2 晶体管外形封装 55
5.5.3 四边扁平封装 55
5.5.4 四边/双边无引脚扁平封装 56
5.5.5 封装演变趋势和热设计面临的机遇与挑战
5.6 印制电路板热特性及其在热设计中的关键作用
5.6.1 PCB热传导特点 58
5.6.2 PCB铜层敷设准则———热设计角度
5.6.3 热过孔及其设计注意点 60
5.7 本章小结 62
参考文献 63
第6章 散热器的设计 64
6.1 散热器设计需考虑的方面 64
6.1.1 发热源热流密度 64
6.1.2 元器件温度要求和工作环境 66
6.1.3 产品内部空间尺寸 67
6.1.4 散热器安装紧固力 67
6.1.5 成本考量 68
6.1.6 外观设计 68
6.2 几种常见的散热器优化设计思路 68
6.2.1 热传导———优化散热器扩散热阻
6.2.2 对流换热———强化对流换热效率
6.2.3 辐射换热———选择合适的表面处理方式
6.2.4 总结 72
6.3 散热器设计注意点汇总 72
6.4 本章小结 73
参考文献 73
第7章 导热界面材料的选型设计 74
7.1 为什么需要导热界面材料 74
7.2 导热界面材料的定义及种类 75
7.2.1 导热界面材料定义 75
7.2.2 导热界面材料的种类 75
7.3 导热界面材料的选用关注点 80
7.3.1 材料自身属性 80
7.3.2 应用场景因素 82
7.4 导热界面材料的实际运用 83
7.4.1 导热硅脂的实际运用 83
7.4.2 导热衬垫的实际运用 83
7.4.3 导热填缝剂的实际运用 85
7.4.4 石墨片的实际运用 85
7.5 导热界面材料选用的复杂性 86
7.6 本章小结 87
参考文献 87
第8章 风扇的选型设计 88
8.1 几何尺寸 89
8.2 确定风量 89
8.3 确定风扇风压 91
8.4 平行翅片散热器流阻计算 92
8.5 风扇的抽风和吹风设计 96
8.5.1 抽风设计 96
8.5.2 吹风设计 96
8.6 风扇转速控制方式 97
8.7 风扇噪声考量 97
8.8 风扇相似定理 98
8.9 风扇寿命可靠性 99
8.10 风扇失速区 100
8.11 风扇选型方法汇总 101
8.12 散热器和风扇的综合设计 102
8.13 本章小结 103
参考文献 104
第9章 热管和均温板 105
9.1 热管和均温板的特点和典型应用 105
9.2 热管和VC的基本工作原理 106
9.3 热管和VC的性能指标 108
9.4 超薄热管和超薄VC 109
9.5 热管和VC产品要考虑的细观因素 111
9.6 本章小结 111
参考文献 112
第10章 热电冷却器、换热器和机柜空调 113
10.1 热电冷却原理 113
10.2 热电冷却器在电子散热中的优缺点 114
10.3 热电冷却器的选型步骤 115
10.3.1 确定工作电流 116
10.3.2 确定工作电压 117
10.3.3 确定COP值和选择高效TEC的迭代方式 117
10.3.4 TEC与系统的匹配 118
10.4 换热器工作原理 118
10.5 换热器的选型 119
10.5.1 确定需求 120
10.5.2 计算换热效率 120
10.6 机柜空调 122
10.7 本章小结 124
参考文献 125
第11章 液冷设计 126
11.1 液冷设计概述 126
11.1.1 直接液冷 126
11.1.2 间接液冷 127
11.2 液冷散热的特点 128
11.3 液冷系统的分类与组成 128
11.3.1 封闭式单循环系统 128
11.3.2 封闭式双循环系统 129
11.3.3 开放式系统 129
11.3.4 半开放式系统 130
11.4 液冷设计各部分注意点 130
11.4.1 液体工质选择 130
11.4.2 冷板的设计 132
11.4.3 冷管和接头 133
11.4.4 泵的选择 134
11.4.5 冷排/换热器的选型设计 137
11.4.6 其他附件 138
11.5 冷板散热器的设计步骤和常见加工工艺 139
11.5.1 计算流量 140
11.5.2 确定冷板材质 140
11.5.3 流道设计 141
11.5.4 冷板类型及其优缺点 142
11.6 本章小结 143
参考文献 143
第12章 热设计中的噪声 145
12.1 热设计与噪声的关系 145
12.2 声音基础知识概述 145
12.2.1 声音的本质 145
12.2.2 噪声产生的原因 145
12.2.3 声音的几个关键参数 146
12.3 声音的分析 149
12.3.1 频程与频谱 149
12.3.2 响度与响度级 150
12.3.3 计权声级 152
12.4 声音的传播 153
12.5 电子产品热设计中的噪声 153
12.5.1 气动噪声 154
12.5.2 机械噪声 155
12.5.3 电磁噪声 155
12.6 噪声测量 155
12.7 噪声控制设计 156
12.7.1 控制声源 156
12.7.2 控制传声路径 156
12.7.3 控制声音接收者 158
12.8 噪声仿真 158
12.9 本章小结 158
参考文献 158
第13章 风扇调速策略的制定和验证 160
13.1 为什么要对风扇进行调速 160
13.2 风扇智能调速的条件 161
13.2.1 风扇转速必须可控 161
13.2.2 必须有可实时反馈产品散热风险的温度传感器 162
13.2.3 系统中必须内置有效的风扇调速程序 163
13.3 风扇调速策略的设计 164
13.3.1 温度传感器的布置 164
13.3.2 风扇调速策略整定步骤 165
13.4 异常情况的风扇转速应对 169
13.5 本章小结 169
第14章 热测试 171
14.1 热测试的目的和内容 171
14.2 热测试注意事项 171
14.2.1 确保设备的配置和负载与测试工况对应
14.2.2 确保设备使用的散热物料与设计方案一致
14.2.3 根据散热方式选择合适的测试环境
14.2.4 关注测试读取结果数据的稳定性
14.3 温度测试 173
14.3.1 热测试设备 173
14.3.2 接触式测温 174
14.3.3 非接触式测温 175
14.4 热测试常用的设备仪器 179
14.5 撰写热测试报告 181
14.6 本章小结 182
参考文献 182
第15章 热仿真软件的功能、原理和使用方法 183
15.1 热仿真的作用 183
15.2 热仿真的基本原理 183
15.3 热仿真软件的选择 186
15.4 热仿真软件的合理使用 188
15.4.1 信息收集 189
15.4.2 几何建模和属性赋值 189
15.4.3 网格划分 190
15.4.4 模型设置 192
15.4.5 求解计算和后处理 193
15.5 本章小结 194
第16章 常见电子产品热设计实例 195
16.1 自然散热产品 195
16.2 强迫风冷设计 212
16.3 液冷和风冷的混合冷却 221
16.4 动力电池热管理 223
16.5 本章小结 232
参考文献 233
第17章 热、电、磁的结合 234
17.1 一些电磁学概念 235
17.2 信号传输 245
17.3 电磁兼容、电磁屏蔽以及对热设计的影响
17.4 本章小结 253
参考文献 254
后记 256
^ 收 起
陈继良（Leon Chen），中国科学院工程热物理学硕士，中国热设计网联合创始人。曾致力于多孔介质内流体传热传质研究，后长期从事电子产品热设计技术工作，主导多款智能穿戴、人工智能硬件、智能家居、汽车电子、服务器、通讯设备等热和噪声控制设计方案。
《从零开始学散热》从一名热设计工程师具体技术工作层面出发，提出了一系列如何保证热设计方案合理性的问题，并以一些实际的产品为例，进行了解释说明。《从零开始学散热》内容涉及电子产品热设计的意义，热设计理论基础，热设计研发流程，散热方式的选择，芯片封装和电路板的热特性，散热器的设计，导热界面材料的选型设计，风扇的选型设计，热管和均温板，热设计中的噪声，风扇调速策略的制定和验证，热电冷却器、换热器和机柜空调，液冷设计，热测试，热仿真软件的功能、原理和使用方法，常见电子产品热设计实例，热、电、磁的结合等。《从零开始学散热》详细地记录了一名热设计工程师热设计思维形成过程，希望能帮助读者形成自己的设计思维，从而能够应对任何从未遇到过的热问题。
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