從零開始學散熱（簡體書）

《從零開始學散熱》從一名熱設計工程師具體技術工作層面出發，提出了一系列如何保證熱設計方案合理性的問題，並以一些實際的產品為例，進行了解釋說明。全書內容涉及電子產品熱設計的意義，熱設計理論基礎，熱設計研發流程，散熱方式的選擇，芯片封裝和電路板的熱特性，散熱器的設計，導熱界面材料的選型設計，風扇的選型設計，熱管和均溫板，熱設計中的噪聲，風扇調速策略的制定和驗證，熱電冷卻器、換熱器和機櫃空調，液冷設計，熱測試，熱仿真軟件的功能、原理和使用方法，常見電子產品熱設計實例，熱、電、磁的結合等。本書詳細地記錄了一名熱設計工程師熱設計思維形成過程，希望能幫助讀者形成自己的設計思維，從而能夠應對任何從未遇到過的熱問題。

從零開始學知識，工程師視角學技術

目 錄
前言
致謝
第1章 電子產品熱設計的意義 1
1.1 溫度對電子產品的影響 1
1.2 溫度對芯片的影響機理 2
1.2.1 熱應力和熱應變 2
1.2.2 器件炸裂 4
1.2.3 腐蝕 4
1.2.4 氧化物分解 5
1.2.5 芯片功耗 5
1.2.6 電氣性能變化 6
1.3 解決芯片熱可靠性的兩個維度 6
1.4 熱設計方案的評估標準 7
1.5 本章小結 7
參考文獻 8
第2章 熱設計理論基礎 9
2.1 熱和溫度 9
2.1.1 熱動說和熱質說 9
2.1.2 溫度的物理意義 11
2.2 傳熱學 12
2.2.1 熱傳導 12
2.2.2 熱對流 15
2.2.3 熱輻射 16
2.3 熱力學 19
2.3.1 熱力學第一定律 19
2.3.2 熱力學第二定律 19
2.3.3 熱力學第三定律 20
2.3.4 熱力學第零定律 20
2.3.5 理想氣體定律 21
2.4 流體力學 22
2.4.1 流體的重要性質―――黏性 22
2.4.2 流體壓強―――靜壓、動壓和總壓
2.4.3 表壓、真空度和絕對壓強 25
2.4.4 流體流動狀態―――層流和湍流
2.5 擴展閱讀:導熱係數的本質 27
2.6 本章小結 28
參考文獻 28
第3章 熱設計研發流程 30
3.1 需求分析 31
3.2 概念設計 33
3.3 詳細設計 34
3.4 測試驗證 34
3.5 回歸分析 34
3.6 發佈與維護 35
3.7 本章小結 35
參考文獻 35
第4章 散熱方式的選擇 36
4.1 散熱方式選擇的困難性 36
4.2 自然散熱 39
4.3 強迫風冷 39
4.4 間接液冷 40
4.5 直接液冷 41
4.6 本章小結 42
參考文獻 42
第5章 芯片封裝和電路板的熱特性 43
5.1 IC芯片封裝概述 43
5.2 芯片封裝熱特性 44
5.2.1 芯片熱特性基礎 44
5.2.2 熱阻的概念 45
5.2.3 芯片熱特性的熱阻描述 46
5.3 芯片封裝熱阻的影響因素 49
5.3.1 封裝尺寸 49
5.3.2 封裝材料 50
5.3.3 熱源尺寸 50
5.3.4 單板尺寸和導熱係數 51
5.3.5 芯片發熱量以及外圍氣流速度
5.4 實驗測量時結溫的反推計算公式 52
5.5 常見的芯片封裝及其熱特性 52
5.5.1 球柵陣列式封裝 54
5.5.2 晶體管外形封裝 55
5.5.3 四邊扁平封裝 55
5.5.4 四邊/雙邊無引腳扁平封裝 56
5.5.5 封裝演變趨勢和熱設計面臨的機遇與挑戰
5.6 印製電路板熱特性及其在熱設計中的關鍵作用
5.6.1 PCB熱傳導特點 58
5.6.2 PCB銅層敷設準則―――熱設計角度
5.6.3 熱過孔及其設計注意點 60
5.7 本章小結 62
參考文獻 63
第6章 散熱器的設計 64
6.1 散熱器設計需考慮的方面 64
6.1.1 發熱源熱流密度 64
6.1.2 元器件溫度要求和工作環境 66
6.1.3 產品內部空間尺寸 67
6.1.4 散熱器安裝緊固力 67
6.1.5 成本考量 68
6.1.6 外觀設計 68
6.2 幾種常見的散熱器優化設計思路 68
6.2.1 熱傳導―――優化散熱器擴散熱阻
6.2.2 對流換熱―――強化對流換熱效率
6.2.3 輻射換熱―――選擇合適的表面處理方式
6.2.4 總結 72
6.3 散熱器設計注意點匯總 72
6.4 本章小結 73
參考文獻 73
第7章 導熱界面材料的選型設計 74
7.1 為什麼需要導熱界面材料 74
7.2 導熱界面材料的定義及種類 75
7.2.1 導熱界面材料定義 75
7.2.2 導熱界面材料的種類 75
7.3 導熱界面材料的選用關注點 80
7.3.1 材料自身屬性 80
7.3.2 應用場景因素 82
7.4 導熱界面材料的實際運用 83
7.4.1 導熱矽脂的實際運用 83
7.4.2 導熱襯墊的實際運用 83
7.4.3 導熱填縫劑的實際運用 85
7.4.4 石墨片的實際運用 85
7.5 導熱界面材料選用的複雜性 86
7.6 本章小結 87
參考文獻 87
第8章 風扇的選型設計 88
8.1 幾何尺寸 89
8.2 確定風量 89
8.3 確定風扇風壓 91
8.4 平行翅片散熱器流阻計算 92
8.5 風扇的抽風和吹風設計 96
8.5.1 抽風設計 96
8.5.2 吹風設計 96
8.6 風扇轉速控制方式 97
8.7 風扇噪聲考量 97
8.8 風扇相似定理 98
8.9 風扇壽命可靠性 99
8.10 風扇失速區 100
8.11 風扇選型方法匯總 101
8.12 散熱器和風扇的綜合設計 102
8.13 本章小結 103
參考文獻 104
第9章 熱管和均溫板 105
9.1 熱管和均溫板的特點和典型應用 105
9.2 熱管和VC的基本工作原理 106
9.3 熱管和VC的性能指標 108
9.4 超薄熱管和超薄VC 109
9.5 熱管和VC產品要考慮的細觀因素 111
9.6 本章小結 111
參考文獻 112
第10章 熱電冷卻器、換熱器和機櫃空調 113
10.1 熱電冷卻原理 113
10.2 熱電冷卻器在電子散熱中的優缺點 114
10.3 熱電冷卻器的選型步驟 115
10.3.1 確定工作電流 116
10.3.2 確定工作電壓 117
10.3.3 確定COP值和選擇高效TEC的迭代方式 117
10.3.4 TEC與系統的匹配 118
10.4 換熱器工作原理 118
10.5 換熱器的選型 119
10.5.1 確定需求 120
10.5.2 計算換熱效率 120
10.6 機櫃空調 122
10.7 本章小結 124
參考文獻 125
第11章 液冷設計 126
11.1 液冷設計概述 126
11.1.1 直接液冷 126
11.1.2 間接液冷 127
11.2 液冷散熱的特點 128
11.3 液冷系統的分類與組成 128
11.3.1 封閉式單循環系統 128
11.3.2 封閉式雙循環系統 129
11.3.3 開放式系統 129
11.3.4 半開放式系統 130
11.4 液冷設計各部分注意點 130
11.4.1 液體工質選擇 130
11.4.2 冷板的設計 132
11.4.3 冷管和接頭 133
11.4.4 泵的選擇 134
11.4.5 冷排/換熱器的選型設計 137
11.4.6 其他附件 138
11.5 冷板散熱器的設計步驟和常見加工工藝 139
11.5.1 計算流量 140
11.5.2 確定冷板材質 140
11.5.3 流道設計 141
11.5.4 冷板類型及其優缺點 142
11.6 本章小結 143
參考文獻 143
第12章 熱設計中的噪聲 145
12.1 熱設計與噪聲的關係 145
12.2 聲音基礎知識概述 145
12.2.1 聲音的本質 145
12.2.2 噪聲產生的原因 145
12.2.3 聲音的幾個關鍵參數 146
12.3 聲音的分析 149
12.3.1 頻程與頻譜 149
12.3.2 響度與響度級 150
12.3.3 計權聲級 152
12.4 聲音的傳播 153
12.5 電子產品熱設計中的噪聲 153
12.5.1 氣動噪聲 154
12.5.2 機械噪聲 155
12.5.3 電磁噪聲 155
12.6 噪聲測量 155
12.7 噪聲控制設計 156
12.7.1 控制聲源 156
12.7.2 控制傳聲路徑 156
12.7.3 控制聲音接收者 158
12.8 噪聲仿真 158
12.9 本章小結 158
參考文獻 158
第13章 風扇調速策略的制定和驗證 160
13.1 為什麼要對風扇進行調速 160
13.2 風扇智能調速的條件 161
13.2.1 風扇轉速必須可控 161
13.2.2 必須有可實時反饋產品散熱風險的溫度傳感器 162
13.2.3 系統中必須內置有效的風扇調速程序 163
13.3 風扇調速策略的設計 164
13.3.1 溫度傳感器的佈置 164
13.3.2 風扇調速策略整定步驟 165
13.4 異常情況的風扇轉速應對 169
13.5 本章小結 169
第14章 熱測試 171
14.1 熱測試的目的和內容 171
14.2 熱測試注意事項 171
14.2.1 確保設備的配置和負載與測試工況對應
14.2.2 確保設備使用的散熱物料與設計方案一致
14.2.3 根據散熱方式選擇合適的測試環境
14.2.4 關注測試讀取結果數據的穩定性