热分析 — 电子设备冷却 — 文章目录
电子设备冷却是在半导体发热密度不断上升的情况下，把结温保持在允许值以下的热设计领域。对芯片→封装→电路板→机壳→环境这一多级热路径，先用热阻网络估算，再用CFD/FEM细化，这种两步法是实务的套路。结温对寿命呈指数影响（10°C法则），因此几度的预测误差就直接关系到产品可靠性的讨论。
《功率模块散热》讨论针对SiC/IGBT模块高热流密度（每平方厘米数百瓦）的冷却设计——热界面材料（TIM）的热阻、直接水冷和针翅冷却。《LED热设计》讲解LED特有的课题：没有变成光的输入功率中约七成变成热，以及基板（MCPCB）和散热器设计、温度与光通量和寿命的关系。
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- 电池热管理
计算21700锂离子电池（5 Ah，内阻20 mΩ）的发热与温度。发热随电流平方增长，绝热温升0.5C为13 K，2C为51 K，3C为77 K。2C放电结束时，自然风冷（10 W/m²K）为53℃， - 板级热分析
计算1.6 mm厚电路板的等效导热系数，以及放在50 mm见方板中央的1 W元件的温升。表面铜覆盖30%的双层板面内为5.9 W/mK，温升62 K；内层有4层整铜的6层板为40 W/mK，温升降到30 K。 - 紧凑热模型（Delphi/JEDEC）
紧凑热模型用少量热阻表示电子器件封装。本文比较 JEDEC 双热阻模型与 DELPHI 模型，用详细参考网络说明双热阻模型的误差随冷却方式在0%到约25%之间变化的原因，并总结在系统级热分析中的用法和验证步骤。 - 电子设备用热管
直径6 mm、长200 mm的热管传输30 W只需约4.5 K温差，而同样粗细的铜棒需要531 K。等效导热系数约为铜的120倍。但传热量受毛细力限制，烧结吸液芯的例子中水平约34 W， - 散热器设计
通过改变翅片数的算例讲解强制风冷散热器设计。100 mm见方、高30 mm的铝散热器配风扇，翅片从10片增到35片，热阻从0.68降到0.16 K/W；但50片时压降使风量降到2.3 L/s，热阻恶化到0.39 K/W。 - 浸没式冷却
用计算比较把电子设备浸入液体冷却的浸没式冷却。以10 K温升带走30 kW机柜热量，空气需每秒2.6 m³，绝缘油只需每分钟106 L。30 mm高表面的自然对流换热系数空气6.7、油121、氟化液277 W/m²K。 - 结温预测
用瞬态热阻抗（Foster网络）的算例讲解半导体结温。同样平均10 W损耗，100 W、占空比10%的脉冲在1 kHz时温升23.6 K，在10 Hz时达56.5 K，为按平均功率估算20 K的2.8倍； - LED热设计
用热阻计算10颗3 W、效率35% LED灯具的结温。铝基板（MCPCB）加强制风冷散热器（2 K/W）时为97℃，自然冷却（4 K/W）时136℃；FR-4板加9个过孔时升到127℃。要把结温控制在105℃以下， - 自然空冷与强制空冷设计
用算例比较电子设备的自然风冷与强制风冷：换热系数大小、辐射贡献、混合对流判据、翅片间距、风机工作点以及高海拔性能下降，并总结热流体分析（CFD）中应把握的建模要点和常见失误。 - 功率模块散热
用逐层热阻的算例讲解IGBT等功率模块的散热。10 mm见方芯片损耗100 W时，氧化铝基板、导热硅脂、冷板的构成热阻0.58 K/W，结温123 ℃；换成氮化铝基板为0.47 K/W； - 热界面材料（TIM）
用“厚度÷导热系数＋接触热阻”的公式讲解热界面材料（TIM）的热阻。以100 W、1 cm²的发热比较导热硅脂、相变材料、导热垫和铟焊料的温差，并说明硅脂厚度从25 μm增至100 μm时温差约为3.4倍。 - 热阻（Rth）模型
讲解电子散热设计中的热阻模型：导热与对流热阻公式，以及 θJA、θJC、ψJT 含义的区别。用算例说明导热硅脂与导热垫对结温的影响、短脉冲下的瞬态热阻抗（Foster模型），并总结何时改用FEM。 - 散热过孔
计算1.6 mm厚FR-4板上5 mm见方焊盘下排布孔径0.3 mm、镀铜25 µm散热过孔时的热阻。无过孔时213 K/W，25个降到7.4 K/W（等效导热系数8.7 W/mK），64个降到2.9 K/W。 - 热电冷却（珀尔帖元件）分析
用127对模块的算例讲解珀尔帖元件热电冷却。温差10 K制冷20 W时COP为2.3，30 K时降到0.71，热端需排热48 W；散热器热阻从0.1恶化到0.5 K/W时，最大制冷量从41 W降到22 W。 - 热电转换（热电发电）分析
用算例讲解由温差取电的热电发电。高温500 K、低温300 K时，优值ZT = 1效率为8.2%，只有卡诺效率40%的约五分之一；127对模块在温差100 K时开路电压5.1 V、最大3.2 W；即使有200 K温差， - 均热板（VC）
讲解均热板（VC）的工作原理，以及热分析中用“各向异性等效导热系数”建模的方法。在60 mm 见方的散热板上放置10 mm 见方热源进行三维计算，比较铜板与VC的最高温度，说明效果随热源大小变化的原因，