电子设备热设计技术

本书共10章，第1章介绍电子设备热设计的内涵及面临的挑战，给出了电子设备热设计技术的分类和选择原则。第2章为电子设备的产热及热可靠性理论基础，从电子设备的产热和温度失效机理出发，阐述了温度对电子设备可靠性的影响机理。第3章为电子设备热传导技术，阐述了热传导机理与强化方法，综述了热管理材料的分类及应用，详述了热管及其衍生物的分类及典型应用场景。第4～8章分别为电子设备风冷技术、液冷技术、相变冷却技术、辐射散热技术及储热技术，这几章均从热设计机理出发，系统阐述了散热强化方法，并配合典型案例介绍了相应的热设计方法及流程。第9章为电子设备微系统冷却技术，梳理了微系统冷却遇到的挑战，阐述了常用微系统冷却技术。第10章为电子设备热仿真及热测试技术，介绍了常用热仿真软件、热学仿真基本流程及常用热学性能指标测试技术。本书可供从事电子设备热设计工作的研究人员和工程技术人员阅读，也可作为高等院校相关专业的教学参考书。

第1章 绪论 1
1.1 电子设备热设计的内涵 1
1.1.1 电子设备热设计的重要性 3
1.1.2 电子设备热设计的定义与目标 6
1.2 电子设备热设计的挑战 8
1.2.1 热流密度急剧升高引发芯片过温风险 8
1.2.2 集成度与日俱增诱发热-力-电耦合问题 9
1.2.3 功率大幅提升凸显热设计的资源难题 10
1.2.4 极端工况增多暴露传统热设计的局限性 12
1.2.5 精确控温要求严苛提升设备热设计难度 13
1.3 电子设备热设计技术的分类和选择原则 14
1.3.1 电子设备热设计技术的分类 14
1.3.2 电子设备热设计技术的选择原则 16
参考文献 19
第2章 电子设备的产热及热可靠性理论基础 22
2.1 电子设备的产热和温度失效机理简介 22
2.1.1 无源器件 23
2.1.2 有源器件 25
2.1.3 温度失效机理小结 29
2.2 电子设备的温度可靠性预计 30
2.2.1 基于手册的可靠性预计方法 30
2.2.2 基于手册的可靠性预计方法的不足 31
2.2.3 基于失效物理模型的可靠性预计方法 32
2.3 电子设备的温度降额设计 34
2.3.1 温度降额的原则 34
2.3.2 温度降额的指标 35
2.3.3 温度降额的设计流程 35
2.4 电子设备的温度环境应力筛选 37
2.4.1 温度环境应力筛选分类 37
2.4.2 温度环境应力筛选流程 40
参考文献 41
第3章 电子设备热传导技术 44
3.1 热传导及强化方法 44
3.1.1 导热机理 44
3.1.2 导热强化 48
3.1.3 导热优化 52
3.2 常用电子设备热管理材料 61
3.2.1 热块体材料 61
3.2.2 热界面材料 69
3.3 热管及其衍生物 79
3.3.1 热管的工作原理 79
3.3.2 热管的相容性及寿命 81
3.3.3 热管及其衍生物分类 82
参考文献 90
第4章 电子设备风冷技术 94
4.1 自然冷却 94
4.1.1 自然冷却原理 94
4.1.2 自然冷却的强化方法 95
4.2 强迫风冷 102
4.2.1 强迫风冷原理 102
4.2.2 强迫风冷的强化方法 103
4.3 典型风冷系统设计案例 109
4.3.1 散热需求分析和冷却方式选择 110
4.3.2 风冷组件设计 110
4.3.3 风冷阵面设计 113
4.3.4 风机选型 114
4.3.5 系统设计校核 117
4.3.6 小结 118
参考文献 118
第5章 电子设备液冷技术 120
5.1 液冷原理与分类 120
5.1.1 液冷原理 120
5.1.2 直接液冷 123
5.1.3 间接液冷 126
5.2 液冷强化技术 128
5.2.1 对流换热系数强化 128
5.2.2 对流换热面积强化 133
5.2.3 协同设计优化 140
5.3 液冷系统的安全性与可靠性设计 141
5.3.1 腐蚀防护设计 141
5.3.2 泄漏防护设计 144
5.3.3 可靠性设计 150
5.3.4 健康管理设计 153
5.4 典型液冷系统设计案例 157
5.4.1 散热需求分析和冷却方式选择 158
5.4.2 冷板设计 159
5.4.3 管网设计 161
5.4.4 冷却机组设计 164
5.4.5 系统设计指标复核与评估 169
5.4.6 小结 170
参考文献 170
第6章 电子设备相变冷却技术 173
6.1 相变冷却原理 173
6.1.1 气泡动力学简介 173
6.1.2 池沸腾 174
6.1.3 对流沸腾 175
6.1.4 相变冷却的特点 177
6.2 相变冷却方式 178
6.2.1 直接相变冷却 178
6.2.2 间接相变冷却 181
6.3 相变冷却系统设计及应用 183
6.3.1 工质选型 183
6.3.2 换热设计 186
6.3.3 流动设计 189
6.3.4 其他工程问题 195
6.3.5 典型相变冷却应用 196
参考文献 199
第7章 电子设备辐射散热技术 202
7.1 辐射传热特点 202
7.2 电子设备热辐射技术基础 205
7.2.1 辐射传热计算 205
7.2.2 太阳辐射 207
7.2.3 地球红外辐射与地球反照 212
7.2.4 电子设备内部热辐射 215
7.3 辐射传热控制技术 216
7.3.1 辐射散热类技术 217
7.3.2 辐射隔热类技术 221
7.3.3 自适应温控类技术 223
7.4 星载电子设备热控设计案例 226
参考文献 229
第8章 电子设备储热技术 231
8.1 储热技术的原理及特点 231
8.2 储热材料的分类及强化设计 232
8.2.1 显热储热材料及选型设计 233
8.2.2 潜热储热材料及强化设计 235
8.2.3 化学储热材料及控制设计 241
8.3 典型电子设备储热设计 245
8.3.1 储热需求计算 245
8.3.2 储热方式选择 246
8.3.3 储热温区设计 247
8.3.4 综合仿真校核 248
参考文献 251
第9章 电子设备微系统冷却技术 253
9.1 电子设备微系统冷却概述 253
9.1.1 微系统冷却的内涵 253
9.1.2 常用封装技术的热特性分析 254
9.1.3 微系统冷却的特点 260
9.1.4 微系统冷却面临的挑战 261
9.2 常用微系统冷却技术 264
9.2.1 芯片近结高导热材料 264
9.2.2 异质界面低热阻技术 270
9.2.3 嵌入式微流体技术 272
9.2.4 主动冷却技术 276
9.2.5 微冷却控制元件 278
9.2.6 热-力-电协同设计 280
参考文献 283
第10章 电子设备热仿真及热测试技术 286
10.1 电子设备热仿真 286
10.1.1 热仿真基础及方法 286
10.1.2 常用热仿真软件 287
10.1.3 热仿真案例 292
10.1.4 热仿真面临的挑战 295
10.2 电子设备热测试 299
10.2.1 热测试标准简介 299
10.2.2 温度测试 301
10.2.3 流量测试 307
10.2.4 速度测试 311
10.2.5 压力测试 313
参考文献 315