音像微系统热管理张旻澍

章 绪论 1 1.1 热管理概述 1 1.2 传热学概述 4 1.3 传热学在微系统中的应用 8第2章 导热微分方程 12 2.1 傅里叶导热定律 12 2.2 导热微分方程的建立 15 . 单值条件和热云图 17第3章 稳态导热 .1 一维单层平壁稳态导热 3.1.1 无内热源、一类边界条件 3.1.2 有内热源、一类边界条件 24 3.1.3 无内热源、三类边界条件 25 3.1.4 有内热源、三类边界条件 26 3.2 一维多层平壁稳态导热 28 3.2.1 无内热源、一类边界条件 28 3.2.2 有内热源、一类边界条件 29 3.. 无内热源、三类边界条件 29 3.2.4 有内热源、三类边界条件 30 3.2.5 封装体的一维稳态导热 30 3.3 二维稳态导热 31第4章 定热分析 35 4.1 封装的散热常识 35 4.2 材料的热能 37 4.3 封装结构的热能 39第5章 热阻网络分析 42 5.1 热阻网络 42 5.2 界面热阻 48 5.3 扩散热阻 51 5.4 PCB热阻 54 5.5 翅片与散热器 57 5.5.1 翅片方程 57 5.5.2 翅片热阻、功效和效率 61 5.5.3 散热器的热阻、功效和效率 64 5.6 系统冷却技术 71 5.6.1 封装体的冷却 71 5.6.2 PCB的冷却 72 5.6.3 集成式冷却 73第6章 数值热分析 76 6.1 有限元方法简介 76 6.2 力场计算流程 80 6.2.1 力场单元构造 80 6.2.2 ANSYS力场分析过程 83 6.3 热场计算流程 89 6.3.1 热单元构造 89 6.3.2 ANSYS热场分析过程 90 6.4 微系统热分析 97 6.4.1 单位统一 97 6.4.2 建模技巧 98 6.4.3 数值结果的正确 102 6.4.4 封装案例分析 105 6.5 微系统热机分析 115第7章 热实验 120 7.1 材料热参数的测量方法 120 7.1.1 导热率（导热系数）的测量 120 7.1.2 比热容的测量 122 7.1.3 热膨胀系数的测量 124 7.2 温度的测量方法 126 7.2.1 热电偶的单点温度测量 126 7.2.2 红外测温仪的表面温度测量 127 7.3 热阻的测量方法 129第8章 非稳态导热 132 8.1 非稳态导热概述 132 8.2 非稳态导热的集总参数法 134 8.2.1 集总参数法温度场的分析解 134 8.2.2 集总参数法的适用范围 137 8.3 一维非稳态导热的分析解 138 8.3.1 平板导热 138 8.3.2 非稳态导热的正规状况阶段 140 8.4 非稳态导热 142 8.4.1 非稳态热分析的控制方程 142 8.4.2 时间积分与时间步长 142 8.4.3 数值求解的过程 143 8.4.4 非稳态传热分析实例 144附录 例题的有限元程序 160

早在高中物理的学习中，我们就知道热学是物理学的一个分支。高中物理介绍了热学的一些基本常识，例如温度、熵、能量的概念，再通过一些基本设，可以运用高中数学的公式进行简化计算。然而，上述这些对于认知三维世界中的热现象是远远不够的。热学的本质是研究物质处于热状态时的有关质和规律，它起源于人类对冷热现象的探索。在大学学习阶段，根据不同专业的不同培养要求，热学的学习也有所侧重，有的以传热学为主，有的以热力学为主。二者都属于热学研究的范畴，但又有所区分。传热学（Heat Transfer）是研究由温差引起的热能传递规律的科学。热力学（Thermodynamics）是从宏观角度研究物质的热运动质及其规律的科学。简单说，前者是研究热场，即温度（T）是如何随时间（t）和空间（x，y，z）变换的；而后者是研究热能，即热能量（）是如何与形式的能量进行转化的。对于工程应用而言，前者更偏向厘清热传递的过程，后者偏向计算能量的状态。那么，微系统的热管理应当侧重哪一方面的热学知识呢？众所周知，20世纪90年代开始至今，消费类产品已经从功能类工具演变为人们生活必不可缺的通信消费产品。微系统在生产和使用的过程中，存在着大量的热现象，其核心热源就是芯片。当电流经过芯片时，大部分电能转化为热能，并以封装体为载体导出系统，至外界。如果系统的散热效果不好，产品的热场（特别是与人接触的部分）可能会超过人类感知温度的上限（47℃），从而发生烫伤等事故；而超过材料的温度极限（125℃），就会造成产品失效，严重的还会引起锂电池。此外，由于变温引起的机械失效、电失效和腐蚀失效等，同样会对产品的质量和可靠带来严重影响。因此，在产品的设计和制造中，更为关注的是热量的传递。微系统热管理的核心任务就是使热场在产品的物理空间内合理分布。本书系统地介绍了如何将传热学知识应用到微系统的散热设计与管理中，重点阐述热解决热问题的工程逻辑，引导读者由浅入深地分四个阶段完成学习。阶段（~3章）教授传热学的基本知识。第二阶段（第4、5章）教授如何从定分析到半定半定量地采用热阻网络的方法分析微工程中的热问题。第三阶段（第6、7章）教授如何利用数值方法定量分析微工程中的热问题，并结合实验手段验结果。第四阶段（第8章）介绍非稳态导热问题。本书的内容适用于微技术、封装技术、微机电工程等与微制造相关的专业。本书初稿完成之后，华中科技大学、哈尔滨工业大学、西安科技大学等兄弟院校的部分教师对本书进行了审定，提出了许多宝贵意见；定稿时，作者根据这些意见做了修改。本书的撰写和出版受到如下项目的资：① 2017年福建省网络精品课程项目；② 2017年福建省高等学校创新创业教育改革项目；③ 厦门理工学院专著（教材）项目；④ 2018年福建省高校重大教育教学改革项目（FBJ180339）。本书的顺利出版首先要感谢西安科技大学出版社邵汉平编辑及其同事的辛苦付出。同时，作者要感谢厦门理工学院的领导和同事一如既往的鼓励和支持。此外，作者还要感谢香港科技大学微系统封装中心、香港应用科技研究院、中国、宸鸿科技集团（TPK）、晶宇光电（厦门）有限公司、福建省富顺光电有限公司等企业家提的宝贵意见。限于作者的学识水平，书中难免会有不当之处，恳请广大读者批评指正，作者将不胜感激。