1  绪论
1.1  电子设备热控制目的

    随着电子技术的迅速发展，电子技术在军用和民用的各个领域得到了广泛的应用，为提高元器件和设备的热可靠性以及对各种恶劣环境条件的适应能力，使电子元器件和设备的热控制和热分析技术得到了普遍的重视和发展。
    自1948年半导体器件问世以来，电子元器件的小型化、微小型化和集成技术的不断发展，使每个集成电路所包含的元器件数超过了250000个，由于超大规模集成电路（VLSIC）、专门集成电路（ASIC）、超高速集成电路（VHSIC）等微电子技术的不断发展，微电子 器件和设备的组装。
    随着组装密度的提高，组件和设备的热流密度也在迅速提高，如图1-1所示。研究表明,芯片级的热流密度高达100W/cm2 ,它仅
比太阳表面的热流密度低两个数量级，太阳表面的温度可达6000℃，而半导体集成电路芯片的结温应低于100℃，如此高的热流密度，若不采取合理的热控制技术，必将严重影响电子元器件和设备的热可靠性。
    电子设备热控制的目的是要为芯片级、元件级、组件级和系统级提供良好的热环境，保证它们在规定的热环境下，能按预定的方案正常、可靠的工作。热控制系统必须在规定的使用期内，完成所规定的功能，并以最少的维护保证其正常工作的功能。
    防止电子元器件的热失效是热控制的主要目的。热失效是指电子元器件直接由于热因素而导致完全失去其电气功能的一种失效形式。严重的失效，在某种程度上取决于局部温度场、电子元器件的工作过程和形式，因此，就需要正确地确定出现热失效的温度，而这个温度应成为热控制系统的重要判据，在确定热控制方案时，电子元器件的最高允许温度和最大功耗应作为主要的设计参数
 
1.2          电子设备的热环境
    各类电子设备使用场所的热环境的可变性是热控制的一个必须考虑的重要因素，例如装在宇航飞行器上的电子设备在整个飞行过程中将遇到地球大气层的热环境、大气层外的宇宙空间的热环境等。导弹上工作的电子元器件所经受的环境条件比地面室内设备的环境条件恶劣得多，它们必须满足不同环境温度和特殊飞行密封舱的压力要求，除此之外，还有机诫振动和电磁干扰等因素。
    电子设备的热环境包括：
a.    环境温度和压力（或高度）的极限值；
b.    环境温度和压力（或高度）的变化率；
c.    太阳或周围物体的辐射热；
d.    可利用的热沉（包括：种类、温度、压力和湿度）；
e.    冷却剂的种类、温度、压力和允许的压降（对由其他系统或设备提供冷却剂进行冷却的设备而言）。
在讨论热环境时，分析一下热沉是必要的，所谓热沉，是指一个无限大的热容器，它的温度不随传递到它的热能大小而变化，它可能是大地、大气、大体积的水或宇宙，又称热地。过去我们也称为“最终散热器“，也就是我们将在后面讨论的热电模拟回路中的接地点。对空用和陆用设备而言，周围的大气就是热沉。建筑物、设备掩体和地面运载工具主要受周围大气层温度的影响，温度范围为-50℃～+50℃，-50℃代表北极温度，+50℃代表亚热带温度。从高原到深山峡谷的压力范围为75.8kPa～106.9kPa，太阳辐射力可达1kW/m2,长波辐射能约为0.01～0.1kW/m2，静止空气的对流换热系数为6W/（m2•℃）,风速为27.8m/s时的对流换热系数为75W/（m2•℃）。
导弹及低空、高空飞行器的环境条件，取决于围绕该设备的空气动力流动。当接近地
球表面低速飞行时，除在深山峡谷地区压力可能增大外，其他条件近似等于上述条件。在超音速飞行时，边界层吸收的外部热量可使导弹或飞机的蒙皮温度达到相当高的程度。在接近海平面低马赫数飞行时，蒙皮温度可达130℃，在海拔10～20km的高度超音速飞行时，其温度与上述相当。在后一种条件下，由高的动压与低的静压，可能会引起大于106.9kPa的压力，而最小压力却低于上述最小压力值，使其遇到的压力范围扩大了。
    军用、民用和直升飞机上的仪器设备，多数采用标准的密封或非密封的ATR机箱，利用喷气发动机压气机的冲压空气对ATR机箱进行强迫冷却。由于冲压空气的温度和压力较高，应在使用前使其通过冷却透平节流、冷却以及水分离等干燥处理。
    航天器上的电子设备依靠向宇宙空间的热辐射实现散热，其空间环境温度为-269℃，没有空气，是高真空的环境。航天器要经受太阳的直接热辐射，行星及其卫星的反照，以及行星与卫星阴影区的深度冷却。故在航天器表面应有合适的涂层，它既可以吸收来自太阳的辐射热，又可以为航天器及电子设备提供极好的冷却。
    在航天器内部，由于空间没有空气，导热和辐射是两种主要的热控制方法。在电子元器件允许的温度范围内，导热作用比辐射更显著。
    舰船的环境条件比较好，外部环境温度不会超过35℃，其太阳辐射强度和对流换热系数与上述地面设备相似。但是，当潜艇高速航行时，与海水的热交换系数可达105W/（m2•℃）,此时任何潮湿设备表面温度几乎与海水温度相等。
    需要进行热控制的各类电子设备，在热设计时，必须同时注意对连续工作和取决于运载工具与任务的首次平均故障时间（MTTF）的要求，MTTF反应了设备的可靠性。各种运载工具的额定时间需要考虑携带的燃料、通信与控制的最大距离及作用范围等。地面雷达和舰船上的电子元器件可能每天都工作，而导弹上的电子元器件一般为30～300s（不包括扑获飞行状态），机载设备上的元器件则需3～24h，装甲车上的电子设备通常为6～24h。
    由于电子技术的迅速发展，很难对所有的电子元器件规定一个通用的热环境，有关我国军用电子设备的环境条件等已在相应的国家标准[1]和国家军用标准[2]中有所规定。
1.3  电子设备热控制基本原则
1.3.1  热控制的基本要求
电子设备热控制是设备可靠性设计的一项重要技术。由于温度与元器件失效率的指数规律,随温度的升高，失效律迅速增加，因此，在进行热设计时，必须首先了解元器件的热特性，并根据GJB/Z299《电子设备可靠性预计手册》提供的元器件基本失效率 值。在此基础上，可以根据设备工作环境的类别和元器件质量等级等，预计元器件的工作失效率以及设备的可靠性。
a.    热控制应满足设备可靠性的要求。
高温对大多数电子元器件将产生严重的影响。过应力（即电、热或机械应力）容易使元器件过早失效，电应力与热应力之间有着紧密的内在联系，减少电应力（降额）可使热应力得到相应的降低，可以提高其可靠性。例如硅PNP晶体管，其电应力比为0.3时，在130℃时的基本失效率为13.9× /h，而在25℃时的基本失效率则为2.25× /h，高低温失效率之比为6：1。在进行热控制系统设计时，应把元器件的温度控制在规定的数值以下。 
b.    热控制应满足设备预期工作的热环境要求。
    地面用电子设备的热环境包括：设备周围的空气温度、湿度、气压和空气流速，设备周围物体的形状和黑度，日光照射等。
    机载电子设备的热环境包括：飞行高度、飞行速度、设备在飞机上的安装位置、有无空调舱、空调空气的温度和速度等。
c.    热控制应满足对冷却系统的限制要求。
    对冷却系统的限制主要包括对使用的电源（交流或直流及功率）的限制、对振动和躁音的限制、对冷却剂进出口温度的限制及结构（安装条件、密封、体积和重量等）的限制。
d.    电子设备热设计应与电路设计及结构设计同时进行。
e.    热设计与维修性设计相结合。
f.    根据发热功耗，环境温度、允许工作温度、可靠性要求，以及尺寸、重量、冷却所需功率、经济性与安全等因素，选择最简单、最有效的冷却方法。
f.    热控制设计应保证电子设备在紧急情况下，具有最起码的冷却措施，关键部件或设备在冷却系统某些部件遭破坏或不工作的情况下，应具有继续工作的能力。
1.3.2热控制基本原则
电子设备热控制系统设计的基本任务是在热源至热沉之间提供一条低热阻的通道，保证热量迅速传递出去，以便满足可靠性的要求。
a.    保证热控制系统具有良好的冷却功能，即可用性。要保证设备内的电子器件均能在规定的热环境中正常工作，每个元器件的配置必须符合安装要求。
    由于现代电子设备的安装密度在不断地提高，它们对环境因素表现出不同的敏感性，且各自的散热量也很不一样，热设计就必须为它们提供一种适当的“微气候”（即人为地造成电子设备中局部冷却气候条件），保证设备不管环境条件如何变化，冷却系统都能按预定的方式完成规定的冷却功能。
b.    保证设备热控制系统的可靠性。在规定的使用期限内，冷却系统的故障率应比元器件的故障率低，例如美国银行里的计算机系统的技术规范规定，该系统每周工作五天，每天工作十二小时，全年允许中断时间最多为六十分钟，而在任何十二小时的工作中，中断时间不得超过五分钟。这说明对热控制系统的可靠性要求是相当高的。特别是对一些强迫冷却系统和蒸发冷却系统，为保证设备正常可靠地工作，常采用贮备方案，来保证冷却系统的可靠性。同时要在系统中装有安全保护装置，例如流量开关，温度继电器，压力继电器等。
c.    热控制系统应有良好的适应性（相容性）设计中可调性必须留有余地，因为有的设备在工作一段时间后，由于工程上的变化，可能会引起热损耗或流体流动阻力的增加，则要求增