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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

序
电子设备在国民经济和国防军事领域发挥着不可或缺的核心作用。由于受电子器件基本原理的限制，输入电子器件的电功率大部分转换为废热。如果不能及时有效地解决电子设备工作过程中产生的废热排散和温度控制问题，则会导致电子器件超温，严重影响电子器件与设备的性能、可靠性和使用寿命，甚至可能导致电子器件被烧毁而失效。从电子设备发展的角度看，电子设备热设计技术水平直接决定了电子设备性能发挥的极限能力，是研制新型电子设备的核心技术之一；从国际竞争的角度看，高水平的电子设备热设计技术，可以在一定程度上弥补国内半导体工艺与国外先进工艺之间的差距，是国家亟须优先发展的关键技术之一；从学科发展的角度看，电子设备热设计是一个典型的多学科交叉融合学科，其内涵涉及传热学、微电子学、材料、力学、机械和控制等多个学科。目前，高校基础学科与专业的通用性书籍较为常见，而专门介绍电子设备热设计这类既涉及多学科基本理论的交叉融合，又紧扣实际应用场景和工程设计案例的应用类书籍较为少见。因此，撰写一本涵盖电子设备热设计的机理、方法、典型案例的专业书籍对学科发展和行业技术进步具有重要意义。
本书主编钱吉裕研究员就职于南京电子技术研究所，长期从事国内先进相控阵雷达的一线研制工作。他和他的热控专业团队不仅参与了电子设备热设计的一系列国家重点课题研究，还从大国重器工程型号研制的实践中凝练出了关键科学问题和技术挑战。面对高热流密度散热等严峻挑战，他们综合运用相关学科的基本理论和方法，实现了电子设备热设计方法的创新与关键技术的革新，切实解决了新一代机载、舰载、地面等领域相控阵雷达功率大幅度提高带来的散热瓶颈问题。本书就是他们对多年来的科研工作的体会与总结，相信本书对从事电子设备热设计工作的技术人员具有较大的工程应用参考价值，对高校相关专业的学生具有突出的学习借鉴价值和切实的指导作用，对电子设备热设计学科发展和电子产业技术的发展具有促进作用。
面向国家重大需求和科学技术发展的前沿，本书结合工程应用案例全面梳理了风冷、液冷、相变冷却、辐射散热、储热及微系统冷却等电子设备冷却技术的工程设计方法、最新进展和应用案例，系统地阐述了不同冷却方式背后的机理，并就电子设备高功率、高热流密度和微系统化等发展趋势概述了电子设备热设计未来的发展方向。本书的内容深入浅出，体现了编者扎实的理论基础和丰富的工程经验，书中各种典型的热设计案例可加深读者对各种技术的理解，是对当前各类基础性专业书籍的有益补充。
本书是一本针对性强、内容全面、基础理论与工程实践结合度较高的书籍，希望它的出版对热设计领域乃至电子技术领域的技术研究人员、相关专业的教师和学生有所裨益。


中国科学院院士   宣益民
2024年8月于南京

    前  言
随着电子技术的飞速发展，电子设备持续向高密度、高功率的方向发展，然而输入电子器件的电功率大部分转换为废热，极易导致电子器件过热失效甚至被烧毁。统计数据表明，电子设备的失效约55%是由与温度相关的问题造成的。热失效是电子行业中摩尔定律即将走向终结的重要原因，热设计已成为制约电子设备发展的瓶颈技术，同时也是电子机械工程领域的研究重点之一。宣益民院士在学科发展战略研究报告中指出，当前我国的热设计基础方法创新和核心技术掌握等方面仍有待加强，热设计产业发展的瓶颈问题聚焦仍显不足，热设计人才培养体系尚未建立，无法满足电子行业快速发展的需求。因此，编写一本介绍电子设备热设计的书籍对技术发展、问题聚焦、人才培养均具有积极的意义。
电子设备热设计是一个典型的多学科交叉融合学科，涉及传热学、微电子学、材料、力学、机械和控制等多个学科。目前，高校基础学科与专业的通用性书籍较为常见，而专门介绍电子设备热设计这类既涉及多学科基本理论的交叉融合，又紧扣实际应用场景和工程设计案例的应用类书籍较为少见。编者希望遵循“道—法—术”的逻辑思路，编写一本全面介绍电子设备热设计的机理、方法、典型案例的工程指导书，将编者所在团队积累的热设计经验清晰地传递给他人。编者希望通过本书为高校传热相关专业的学生讲述“道”之外的“法”与“术”，与热设计相关从业人员探讨“术”背后的“道”与“法”，以期吸引有志于此的学生和社会人才从事热设计工作，并促进热设计行业的快速发展。
编者团队所在的南京电子技术研究所，是中国雷达工业的发源地，也是国家诸多新型、高端雷达装备的创始者，具有极大的高功率设备散热背景需求。编者团队长期与国内高校和科研院所开展持续深入的合作研究，同时与华为、中兴及曙光等业内知名企业保持广泛的技术交流，汲取了大量宝贵的热设计经验，成功解决了星载、机载、舰载、地基雷达等一批大国重器的散热难题。经过几十年的潜心发展，南京电子技术研究所已形成“陆海空天全平台布局，风液相变多技术发展”的研发体系，在自然冷却、风冷、液冷、两相流冷却等领域取得多项技术突破和成功实践，希望通过本书将技术沉淀为成果，在一定程度上推动电子技术的发展。
本书共10章，由钱吉裕研究员总体设计、策划、修改，由胡长明研究员总体审定。第1章为绪论，介绍了电子设备热设计的内涵和重要性，总结了电子设备热设计面临的迫切需求与挑战，给出了电子设备热设计技术的分类和选择原则，由王锐、钱吉裕编写。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，为后续章节的电子设备热设计技术介绍提供了理论支撑，由周杰、钱吉裕编写。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，由魏涛编写。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，以加深读者对各种技术的理解，分别由周杰、战栋栋、王锐、孔祥举、徐计元编写。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，介绍了热-力-电协同设计案例，由黄豪杰、钱吉裕编写。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，由马预谱编写。此外，辛晓峰、吴进凯、夏艳、张玉声、彭健、张露、赵伟贤等也参与了部分资料收集、插图绘制和编写工作。
段宝岩院士领导的丛书编委会提出了全书的架构，并对内容进行了指导和审定，在此向他们致以诚挚的谢意。本书在编写过程中得到了宣益民教授、李强教授的指导，同时ICT资深专家洪宇平先生、西南电子技术研究所吕倩研究员、中国航空综合技术研究所邵将研究员等多位热设计专家认真审阅了全部书稿，提出了宝贵的修改建议，在此向他们表示深切的感激。本书引用了国内外许多专家、学者的著作及论文，在此一并表示衷心的感谢。
尽管编者努力确保书稿的质量和准确性，希望为读者提供一本有意义的书，但限于技术水平、工程经验及行业特征，书中难免有疏漏、偏颇及不妥之处，敬请各位专家、同行及读者朋友批评指正。

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