电子元器件热管理工程与技术要点

一、散热器选型与设计要点

功率器件散热器选择需精确计算热阻。铝散热器热阻计算公式：Rth = (Tj-Ta)/Pd - Rjc - Rcs，其中Rjc为结壳热阻，Rcs为接触热阻。以TO-220封装MOSFET为例，选用10×10×2cm铝散热片，在自然对流条件下热阻约8-10°C/W。强制风冷条件下，散热片表面积可缩减30-40%，但需保证风速达到2-3m/s。

热界面材料(TIM)的选择直接影响散热效率。导热硅脂热导率通常为1-5W/m·K，涂抹厚度控制在0.05-0.1mm。导热垫片热导率可达3-12W/m·K，厚度公差±0.1mm，安装压力0.3-0.5MPa。相变材料在45-60°C发生相变，有效填补微观不平整，接触热阻可降至0.1°C·cm²/W以下。选型时要考虑工作温度、压力、绝缘性等综合因素。

散热器结构设计需优化空气流动。翅片间距根据风速确定：自然对流3-5mm，强制对流1.5-3mm。翅片高度与间距比控制在10-15:1。基板厚度不小于3mm，确保热量均匀分布。安装孔位置要避开热源中心，距离边缘不小于5mm。表面处理采用阳极氧化，可提高热辐射率至0.8以上。

二、温度监测与控制技术

热敏电阻选型要考虑精度与响应时间。NTC热敏电阻B值在3000-5000K之间，25°C阻值常用10kΩ、100kΩ。线性化电路采用电阻并联方式，在目标温度区间内线性度可达±0.5°C。温度补偿要建立查找表，根据实测数据校正非线性误差。采样频率不低于10Hz，确保及时捕捉温度变化。

红外热成像用于非接触测温。选用分辨率不低于320×240的热像仪，热灵敏度≤50mK。测量距离根据镜头焦距确定，公式为：FOV = 2 × D × tan(θ/2)。发射率设定要准确，抛光金属表面0.05-0.1，氧化金属0.6-0.9，非金属0.85-0.95。环境温度补偿要考虑反射温度影响，采用双色测温可减少误差。

温度控制策略要分级管理。一级控制采用PID算法，KP=2-5，KI=0.1-0.5，KD=0.5-1.0。温控精度可达±1°C。二级保护设置多级阈值：警告阈值低于最高结温10°C，降额阈值低5°C，关断阈值低3°C。三级监控记录温度曲线，分析热循环对寿命的影响。

三、PCB热设计规范

铜箔散热要合理布局。功率器件下方铺铜面积至少是器件面积的3倍，铜厚2oz（70μm）。散热过孔阵列间距1.5-2mm，孔径0.3-0.5mm，孔壁铜厚不小于25μm。多层板内层铺铜可降低热阻30-40%，但要注意与信号层的隔离。

热阻网络建模要准确。使用热仿真软件建立详细模型，网格尺寸在热源处不大于0.5mm。材料参数包括：FR4热导率0.3W/m·K，铜386W/m·K，铝237W/m·K。边界条件设置要符合实际使用环境，包括对流系数、辐射系数、环境温度等。仿真结果要与实测数据对比校正，误差控制在10%以内。

布局优化要考虑热耦合。发热元件分散布置，避免热量集中。温度敏感器件远离热源，间距不小于10mm。通风道设计保证空气流通，进气口与出气口面积比1:1.2。高温区域采用隔热设计，如增加空气间隙或使用隔热材料。