電子產品有效的功率輸出要比電路工作所需輸入的功率小得多。多余的功率大部分轉化為熱而耗散。當前電子產品大多追求縮小尺寸、增加元器件密度，這種情況導致了熱量的集中，因此需要采用合理的熱設計手段，進行有效的散熱，以便產品在規(guī)定的溫度極限內工作。熱設計技術就是指利用熱的傳遞條件，通過冷卻措施控制電子產品內部所有元器件的溫度，使其在產品所在的工作條件下，以不超過規(guī)定的最高溫度穩(wěn)定工作的設計技術。
一、電子產品熱設計的目的
電子產品在工作時會產生不同程度的熱能，尤其是一些功耗較大的元器件，如變壓器、大功率晶體管、電力電子器件、大規(guī)模集成電路、功率損耗大的電阻等，實際上它們是一個熱源，會使產品的溫度升高。在溫度發(fā)生變化時，幾乎所有的材料都會出現(xiàn)膨脹或收縮現(xiàn)象，這種膨脹或收縮會引起零件間的配合、密封及內部的應力問題。溫度不均引起的局部應力集中是有害的，金屬結構在加熱或冷卻循環(huán)作用下會產生應力，從而導致金屬因疲勞而毀壞。另外，對于電子產品而言，元器件都有一定的工作溫度范圍，如果超過其溫度極限，會引起電子產品工作狀態(tài)的改變，縮短使用壽命，甚至損壞，導致電子產品不能穩(wěn)定、可靠地工作。
電子產品熱設計的主要目的就是通過合理的散熱設計，降低產品的工作溫度，控制電子產品內部所有元器件的溫度，使其在所處的工作環(huán)境溫度下，以不超過規(guī)定的最高允許溫度正常工作，避免高溫導致故障，從而提高產品的可靠性。
二、電子產品散熱系統(tǒng)簡介
熱傳遞的三種基本方式是傳導、對流和輻射，對應的散熱方式為：傳導散熱、對流散熱和輻射散熱。
典型的散熱系統(tǒng)介紹如下：
（1）自然冷卻系統(tǒng)
自然冷卻系統(tǒng)是指電子產品所產生的熱量通過傳導、對流、輻射三種方式自然地散發(fā)到周圍的空氣中（環(huán)境溫度略微升高），再通過空調等其他設備降低環(huán)境溫度，達到散熱的目的。此類散熱系統(tǒng)的設計原則是：盡可能減少傳遞熱阻，增加產品中的對流風道和換熱面積，增大產品外表的輻射面積。自然冷卻是最簡單、最經濟的冷卻方法，但散熱量不大，一般用于熱流密度不大的產品中。
（2）強迫風冷散熱系統(tǒng)
強迫風冷散熱系統(tǒng)是指利用風機等設備將冷空氣吹到產品表面或內部，從而快速帶走熱量的散熱方式。強迫風冷按照風機的工作方式分為抽風冷卻和吹風冷卻。當設備熱源分布均勻時采用抽風冷卻，非均勻熱源采用吹風冷卻。根據(jù)產品發(fā)熱量的大小，對所選的風機及風機的安排方式都有特別的要求（如氣流的流量、壓力、噪聲等）。
按照空氣流經發(fā)熱元器件的方向，強迫風冷還可分為橫向通風冷卻、縱向通風冷卻和縱出通風冷卻。橫向通風冷卻就是冷空氣通過靜壓風道再流向需散熱的元器件或散熱器，發(fā)生換熱后，熱空氣從設備的另一側排出?？v向通風冷卻用于平行安裝的印制板組裝件等，空氣換熱后，熱空氣從產品的另一側排出。縱出通風冷卻多用于垂直安裝的印制板組裝件等，空氣從下部進入產品，熱空氣從上部排出。
在設計冷卻系統(tǒng)時，需合理布置各個發(fā)熱元器件，發(fā)熱少、耐溫差的元器件排在氣流的上游，然后按耐熱性由低到高排列，這種冷卻方式多用于發(fā)熱量不大的設備。
自然冷卻和強迫風冷都屬于直接冷卻方法，與間接冷卻方法相比，該類冷卻方法結構簡單、設計簡單、成本低，多用于熱流密度較高的產品。
（3）氣冷式冷板散熱系統(tǒng)
氣冷式冷板散熱系統(tǒng)的冷卻介質為空氣，該系統(tǒng)一般由蓋板、肋片、底板和封裝組成。肋片是冷板的主要零件，也是組成擴散表面的基本部分，肋片材料一般為鋁材或銅材，在機載產品中，由于質量要求較為嚴格，肋片一般由鋁材制成，有多種不同的結構參數(shù)，可根據(jù)冷卻的工作環(huán)境（溫度、氣壓、濕度和污染等情況）來選擇肋片形狀、肋間距、肋高和肋厚。
氣冷式冷板散熱是一種常用的間接冷卻散熱方式，結構簡單，易于實現(xiàn)。其缺點是散熱能力有限，結構尺寸較大，散熱效率較液冷式冷板低得多，常用在小型機載電子設備中。
（4）液冷式冷板散熱系統(tǒng)
液冷式冷板散熱系統(tǒng)的冷卻介質為液體，冷卻材料通常為導熱較好的鋁材或銅材，在機載電子產品中常用鋁材。冷板的大小及液道的形狀可根據(jù)空間的大小，散熱量及冷卻源的壓力來確定。根據(jù)冷板工作的環(huán)境溫度，選擇合適的冰點、沸點、比勢、導熱系數(shù)、汽化熱、動力黏度的冷卻劑（如乙醇等）。
液冷式冷板散熱是一種常用的散熱方式，其熱流密度大（可達45×103W/m2）、散熱效率高、熱負載均勻、溫度梯度小、結構緊湊。與同體積的其他換熱器相比，質量輕、換熱面積大，適用于大功率元器件的散熱，被廣泛用在機載電子產品中。
在設計冷板時，要考慮泵的壓力、冷卻液的流量、冷卻液的溫升、冷板表面溫度冷卻劑的二次冷卻等諸多因素，以合理地制定結構方案。
三、電子產品熱設計的基本問題及要求
對電子產品進行熱設計，需要事先明確幾個問題。
（1）電子產品（包括發(fā)熱元器件）的熱特性
熱設計的基本依據(jù)是元器件的熱特性（也叫熱的邊界條件），包括元器件（或產品）的發(fā)熱功率、發(fā)熱元器件（或產品）的散熱面積，發(fā)熱元器件或熱敏元器件（或產品）的最高允許工作溫度及溫度環(huán)境等。這些數(shù)據(jù)參數(shù)一般由元器件數(shù)據(jù)手冊（制造廠家提供）給出，設計師借此確定散熱方案及冷卻介質流量。當這種數(shù)據(jù)資料不足時，原則上不能準確地進行熱設計，需要設計者通過測量和試驗確定各個參數(shù)，以保證設計的準確性。
（2）元器件（或產品）的環(huán)境溫度
熱傳導的原則是：熱量總是從高溫物體傳給低溫物體，熱傳遞的速度與溫差、傳輸方式（或介質）有關。相同的傳輸方式下，溫差越大熱量傳遞越快?？梢?，電子產品（包括發(fā)熱元器件）的最終溫度除了與元器件的熱特性有關外，還與所處的環(huán)境溫度密切相關。因此，進行熱設計前必須準確了解電子產品（或元器件）所處工作環(huán)境的溫度。
實際工作中，通常根據(jù)元器件（或產品）的工作環(huán)境溫度及元器件（或產品）的最高允許溫度確定散熱系統(tǒng)中冷卻劑的進出口溫度（溫差值），并將此作為熱設計初步估算時的參考數(shù)據(jù)。
熱設計的原則是把產品的溫度限制在某一最大和最小的范圍內，盡量使電子產品內各點之間的溫差最小，具體要求包括：
① 保證系統(tǒng)具有良好的冷卻功能。
根據(jù)產品的熱損耗值、用途及溫升等要求來確定冷卻方法。在熱回路中元器件的發(fā)熱表面到連接物之間的熱阻（熱量傳遞過程的阻力）應盡量??；不同元器件間應采用不同的散熱措施，目的是保證電子產品內的所有元器件均能在規(guī)定的熱環(huán)境中正常工作。
② 保證冷卻系統(tǒng)工作的可靠性。
不管環(huán)境如何變化，冷卻系統(tǒng)必須能以重復的和預定的方式完成所規(guī)定的功能。在規(guī)定的使用期限內，冷卻系統(tǒng)的故障率應比元器件的故障率低。
③ 冷卻系統(tǒng)要具有良好的適應性。
設計冷卻系統(tǒng)時，應留有散熱余量。因為有的產品在工作一段時間后，由于某些因素的變化，如熱耗散或流體流動阻力的增加，會要求增強散熱能力，如果沒有余量則需進行重新設計，會帶來不必要的麻煩和成本增加。
④ 冷卻系統(tǒng)的設計要有良好的經濟性。
設計一個良好的冷卻系統(tǒng)，必須綜合考慮各方面的因素，使其既能滿足冷卻要求，又能達到電氣性能的指標，同時所用的冷卻代價最小、結構緊湊、工作可靠。
⑤ 冷卻系統(tǒng)要有良好的可維修性。
冷卻系統(tǒng)的設計應力求簡單，盡可能使用最少的和通用的元器件，以便于維修和更換。
四、電子產品熱設計原則
熱設計的基本原則是可制造性、可維修性、經濟性。即以最簡化的設計、最低的成本滿足產品的使用要求。
根據(jù)經驗，熱設計一般應遵循以下設計原則：
① 熱流密度超過0.08W/cm2、體積功率密度超過0.18W/cm3時，應采用強迫空氣冷卻、強迫液體冷卻、蒸發(fā)冷卻、熱管或其他冷卻方法。
② 若電子元器件之間的空間有利于空氣流動或可以安裝散熱器，推薦采用強迫空氣冷卻系統(tǒng)。
③ 對于必須在高溫環(huán)境條件下工作，元器件與被冷卻表面之間的溫度梯度又很小的部件或體積功耗密度很高的元器件或設備，推薦使用液冷式散熱系統(tǒng)。
④ 一般情況下，設計時應使一切外露部分（包括機箱）工作在35℃環(huán)境溫度以下，且它們的溫度不得超過60℃，面板和控制器不應超過43℃。
⑤ 熱設計應與電氣設計、結構設計、可靠性設計等同時進行，當出現(xiàn)矛盾時，應平衡分析，折中解決。但不得損害電氣性能，并要符合可靠性要求，以使設備的壽命周期費用降至最低。
⑥ 設計冷卻系統(tǒng)時，必須考慮經濟性、體積及質量等因素，應最大限度地利用傳導、輻射、對流等基本冷卻方式，避免外加冷卻裝置。
⑦ 設計冷卻系統(tǒng)時，必須考慮到可維修性，要從整個系統(tǒng)的角度出發(fā)選擇熱交換器、冷卻劑及管道，同時冷卻劑不能對交換器和管道有腐蝕作用。
⑧ 在溫度敏感的元器件或設備周圍應設置溫度監(jiān)控裝置，以便當其周圍溫度超出該元器件允許工作溫度范圍時提供報警或自行斷電，以保護設備安全（需要長期連續(xù)運行的電子設備不適用）。
⑨ 熱設計中允許有較大的誤差，設計過程的早期應對冷卻系統(tǒng)進行數(shù)值分析和計算。
五、自然冷卻系統(tǒng)設計
1．設計要求
自然冷卻是大多數(shù)小型電子元器件（或產品）最常采用的散熱方式。設計時一般應遵循以下要求：
① 應盡可能縮短傳熱路徑，增大換熱或導熱面積。
② 應盡可能將組件內產生的熱量通過組件機箱或安裝架散出去。
③ 應盡量采用散熱熱阻小的導軌，增大機箱表面的黑度，增大輻射換熱。
④ 元器件的安裝方向和安裝方式，應能保證能最大限度利用對流方式傳遞熱量。
⑤ 元器件的安裝方式，應充分考慮到周圍元器件的熱輻射影響，以保證元器件的溫度都不超過其最大工作溫度。
⑥ 對靠近熱源的熱敏感元器件應采用熱隔離措施。
⑦ 對于功率小于100mW的中小功率集成電路及小功率晶體管，一般可不增加其他散熱措施。
2．設計方法
（1）機殼的散熱設計
機殼的散熱設計中，可采用在機殼表面涂覆散熱性能好的涂料，或在外殼開設通風口的方式。其中散熱涂料的方式散熱效果更好，但應注意需涂覆在內外表面，以增強散熱效果；通風結構的設計以便于空氣對流為原則，兩側通風孔的設計應注意防止氣流短路影響散熱效果；通風孔的位置應對準主要發(fā)熱元器件，以使冷空氣能夠直接冷卻元器件；通風孔進出口應設在溫差最大的兩處，并且進風口的位置應盡量低、出風口的位置盡量高。
（2）變壓器散熱設計
如果不帶外罩則鐵芯與支架間的固定平面應仔細加工，以便形成良好的熱接觸，或在固定面上用支架墊高，并在底板上開通風孔，使氣流形成對流。
（3）真空元器件設計
相對位置不宜過近，不宜過于靠近機殼側壁，其他元器件離真空元器件不要太近，以免影響自然對流換熱?？稍诠茏車牡装迳洗蚩?，以加快氣流循環(huán)，改善散熱效果。
3．設計案例
圖1 自然散熱系統(tǒng)設計實例
六、強迫風冷散熱系統(tǒng)設計
1．設計要求
強迫風冷散熱系統(tǒng)廣泛應用于體積小、功率大的電子產品中。設計時一般應遵循以下要求：
① 應合理控制氣流方向和流量，使其按照預定的路徑通行，應保證所有元器件均在低于額定溫度的環(huán)境下工作。
② 進行元器件排布時，應按元器件發(fā)熱量順序排列，耐溫性能低的元器件排列在冷空氣的最上游（靠近進風口），其次是發(fā)熱量小的元器件，最后是發(fā)熱量大的元器件。
③ 對于發(fā)熱量大且耐溫性差的元器件，應盡量使其暴露在冷氣流中。
④ 對于導熱性好、體積較大的變壓器、電感類元器件，可通過傳導方式將熱量傳到附近有冷空氣流過的底板上。
⑤ 發(fā)熱量大的元器件應盡量集中排布，并與其他元器件熱絕緣，以便進行單獨的集中通風冷卻。
⑥ 元器件的排列應盡量減小對冷空氣的傳送阻力，盡量不要在風道上安裝大型元器件，以避免造成阻塞。
2．設計方法
強制風冷系統(tǒng)的設計包括通風管道的設計、通風口的設計及通風機的選用。
（1）通風管道的設計
① 在保證氣流不短路的情況下，通風道應盡量短，以降低風道的阻力損失。
② 應盡可能用直管，以便于加工并減小風阻。當不得不采用彎曲管道時，應盡量采用局部阻力小的結構，并且盡量在風速最小處彎折。
③ 應合理選擇管道的截面尺寸和出口形狀，風道的截面尺寸應盡可能與風機的出口匹配，以避免增大風阻。
④ 大功率元器件的送風管截面形狀應根據(jù)元器件的形狀而定，以增強散熱效果。
（2）通風口的設計
① 通風口的開設應有利于形成有效的自然對流通道。
② 進風口應盡可能對準發(fā)熱元器件，出風口應盡可能遠離進風口。
③ 通風口應開在溫差較大的相應位置，且進風口應盡可能低，出風口盡可能高，以防止氣流短路。
（3）通風機的選用
① 應根據(jù)電子產品通風冷卻系統(tǒng)所需的風量、風壓、鄰近空間大小選擇通風機類型。
② 對于要求風量大、風壓低的應用系統(tǒng)，優(yōu)選軸流式通風機，反之則優(yōu)選離心式通風機。
③ 對于空用電子產品，為確保冷空氣的輸送量，應采用可變速的通風機以適應不同海拔工作的需要。
3．設計案例
圖2是某大功率電源產品的強制風冷散熱系統(tǒng)設計（采用風扇+散熱器結構）。
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圖2某大功率電源產品的強制風冷散熱系統(tǒng)設計
七、液冷式冷板散熱系統(tǒng)設計
液冷式冷板散熱系統(tǒng)適用于較高的環(huán)境溫度下或高密度熱源下工作的情況。設計時一般應遵循以下要求：
① 優(yōu)選水作為冷卻劑，設計時應保證冷卻劑能自由膨脹，且機箱必須能承受冷卻劑的最大蒸汽壓力。
② 要確保冷卻劑不會在最高的工作溫度下沸騰（如有必要，應安裝溫度控制元器件），還應確保冷卻劑不會在最低溫度下結冰。
③ 直接液體冷卻適用于體積及功率密度很高的元器件或設備，也適用于必須在高溫環(huán)境條件下工作且元器件與被冷卻表面之間溫度梯度很小的部件。
圖3 某液冷式冷板散熱系統(tǒng)的結構設計
八、其他冷卻系統(tǒng)設計介紹
1．半導體制冷系統(tǒng)
半導體制冷又叫溫差電制冷，是建立在帕爾貼效應基礎上的一種制冷方法。其原理是：當對兩種不同導體組成的電偶對通電流時，在電偶的相應接頭處會發(fā)生吸熱和放熱現(xiàn)象。這一現(xiàn)象在半導體中表現(xiàn)得更為突出，因此可利用這一原理進行可控溫度調節(jié)。
半導體制冷系統(tǒng)的優(yōu)點是：制冷量和冷卻速度可以通過改變電流的大小而調節(jié)，不需要制冷劑，無機械部件，設計簡單、維修方便，可靠性高。
設計半導體制冷系統(tǒng)時，應注意熱面溫度不應高于60℃（必要時在熱面加裝強制液冷等高效散熱措施），以避免帕爾貼的損壞，同時，冷面的工作溫度應控制在20℃以上，以避免結露。
圖4是某種帕爾貼實物圖及其應用系統(tǒng)。
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圖4 帕爾貼實物圖及其應用系統(tǒng)
2．熱管制冷系統(tǒng)
熱管一般由管殼、吸液芯和端蓋構成。它利用蒸發(fā)制冷的原理，增大熱管兩端的溫差，以加快熱量的傳遞。
熱管制冷方式的優(yōu)點是：具有很強的導熱能力、優(yōu)良的穩(wěn)定性和可調節(jié)熱流密度等特點，是一種適應性很強的散熱系統(tǒng)。其缺點是設計相對復雜。
圖5 熱管散熱系統(tǒng)的結構設計
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