热设计培训课程体系（选修）

本课程体系结合企业实际人才需求与热管理技术发展路线，按照从基础理论到工程实践、从自然冷却到液冷技术、从元器件级到系统级、从仿真分析到测试验证的完整知识体系分类，共分为六个技术专题。每个专题均结合主流热分析软件工具与工程实践。

专题目录

专题一：传热学基础与热设计概论

专题二：电子产品自然冷却与强迫风冷设计

专题三：液冷与相变冷却技术

专题四：热仿真分析与软件应用（Icepak/Flotherm）

专题五：热测试技术与可靠性验证

专题六：行业综合案例与工程实践

 

课程体系概述

随着微电子技术及组装技术的发展，现代电子设备正日益成为由高密度组装、微组装所形成的高度集成系统。电子设备日益提高的热流密度，使设计人员在产品的结构设计阶段必将面临热控制带来的严酷挑战。热设计处理不当是导致现代电子产品失效的重要原因，电子元器件的寿命与其工作温度具有直接的关系，也正是器件与PCB中热循环与温度梯度产生热应力与热变形最终导致疲劳失效。而传统的经验设计加样机热测试的方法已经不适应现代电子设备的快速研制、优化设计的新需要。因此，学习和了解目前新的电子设备热设计及热分析方法，对于提高电子设备的热可靠性具有重要的实用价值。

本课程体系参考了曙海培训电子产品热设计课程、Ansys Icepak官方培训、Flotherm热设计应用培训以及势流科技Flotherm XT课程等专业培训资源，按照从基础到高级、从理论到实践的进阶路径设计，确保课程内容的系统性、先进性和实用性。

 

专题一：传热学基础与热设计概论

培训目标

• 掌握传热学三大基本定律（热传导、热对流、热辐射）

• 理解电子设备热失效机理与热设计的重要性

• 熟悉热设计的基本要求与设计流程

• 能够根据产品需求选择合适的冷却方法

培训内容介绍

1. 热设计基本概念：电子设备热设计面临的挑战，热失效统计数据，热设计在产品可靠性中的战略地位

2. 热传导定律：傅里叶定律及其应用，导热系数的影响因素，接触热阻与界面材料，一维稳态导热计算

3. 热对流定律：牛顿冷却公式，对流换热系数的影响因素，自然对流与强制对流的区别，层流与湍流对换热的影响

4. 热辐射定律：斯蒂芬-玻尔兹曼定律，发射率与吸收率，辐射换热网络分析法，多物体间辐射热交换计算

5. 白汉金π定律与准则数：相似理论基础，努塞尔数、雷诺数、普朗特数、格拉晓夫数的物理意义，准则方程典型形式

6. 热电模拟方法：热阻网络概念，热阻串联与并联计算，热路与电路的类比分析，系统级热阻建模

7. 热设计基本要求：热设计应考虑的问题，冷却方法的分类与选择原则，冷却技术极限

8. 电子器件冷却方法进展：自然冷却、强迫风冷、液冷、相变冷却、热电制冷、热管技术的适用范围与选择依据

9. 常用器件的热特性：功率器件、集成电路、半导体分立器件的热特性，结温与壳温的关系，热阻参数的含义

10. 热设计流程：从需求分析、方案设计、仿真验证到测试确认的完整流程，热设计与结构设计、电气设计的协同

11. 热性能评价方法：热性能评价的目的与内容，热性能草测，热性能检查项目，通过标准

12. 综合实践：典型电子产品热设计需求分析与冷却方案初步选型

 

专题二：电子产品自然冷却与强迫风冷设计

培训目标

• 掌握元器件级与PCB级的导热散热设计方法

• 能够进行散热器的设计与优化

• 熟悉强迫风冷系统的设计流程与风机选型

• 具备风冷机箱/机柜的结构设计能力

培训内容介绍

1. 元器件级散热设计：功率器件直接散热途径，导热垫片/导热硅脂的选择，绝缘导热材料应用，元器件布局对散热的影响

2. 印制板级的导热散热设计：PCB导热路径分析，热过孔设计，覆铜层导热作用，PCB材料对导热性能的影响

3. 印制板向机箱的传导：导热条/导热板设计，PCB导轨的热设计，楔形锁紧机构的应用，传导路径优化

4. 元器件向印制板的传导：器件底部导热焊盘设计，散热过孔阵列，热界面材料选择，焊接质量对导热的影响

5. 散热肋的设计：肋片传热原理，肋效率计算，肋片几何参数优化，肋片材料选择

6. 散热器的传热性能：散热器热阻计算，强迫风冷与自然冷却散热器性能差异，散热器表面处理对辐射的影响

7. 散热器设计：挤压铝散热器、插齿散热器、铲齿散热器、热管散热器的特点与选型，散热器设计步骤与优化方法

8. 电子器件散热器的选用：散热器与器件的匹配，安装压力控制，散热器与风道的配合，多热源共用散热器设计

9. 通风机与风道：轴流风机与离心风机的特性曲线，风机选型方法，风道设计原则，系统压力损失计算

10. 通风机与风道的位置关系：吹风与抽风方式对比，风扇与散热器的相对位置优化，进风口与出风口设计

11. 强迫风冷系统的热计算：空气温升计算，对流换热系数计算，热平衡方程，系统级风冷散热能力评估

12. 风冷机箱和机柜设计：机箱通风口面积计算，气流组织设计，风道密封与分流，风冷系统设计实例

13. 机箱内加强自然对流、控制辐射措施：垂直通道设计，通风孔布局，表面黑度处理，内部隔热与屏蔽

14. 综合实践案例：屏蔽插盒强迫风冷的热设计

15. 综合实践案例：空心印制板强迫风冷的热设计

16. 综合实践案例：强迫空气冷却系统的完整设计

 

专题三：液冷与相变冷却技术

培训目标

• 掌握液冷系统的结构与设计方法

• 能够进行冷板的换热计算与校核

• 理解热管工作原理与设计要点

• 熟悉热电制冷与蒸发冷却等先进冷却技术

培训内容介绍

1. 液冷系统概述：液冷技术的应用场景，直接液冷与间接液冷，单相液冷与两相液冷的区别，液冷系统组成

2. 换热器/冷板结构：管翅式、板翅式、微通道冷板的结构特点，流道设计形式，材料选择与加工工艺

3. 换热器设计重要工程概念：对数平均温差，换热单元数法，换热效率，污垢热阻，流量分配均匀性

4. 冷板设计与校核计算方法：气冷冷板与液冷冷板的计算差异，换热系数计算，压降计算，设计步骤与校核流程

5. 热管工作原理与基本结构：热管的三个基本组成，毛细循环条件，工作温度范围

6. 热管传热极限：毛细极限、声速极限、携带极限、沸腾极限的成因与影响因素，热管设计中的极限校核

7. 热管的设计计算：吸液芯结构选择，工质选择，管壳材料，热管尺寸确定

8. 热管的应用结构：热管与散热器组合，平板热管，环路热管，热管在电子产品中的应用案例

9. 热电制冷基本原理：珀尔帖效应，塞贝克效应，热电材料性能参数，热电制冷器结构

10. 热电制冷器冷端净吸热的基本方程：制冷量计算，输入功率计算，制冷系数，热端散热要求

11. 热电制冷器的两种设计方法：最大制冷量设计，最大制冷系数设计，设计参数权衡

12. 多级热电制冷器的性能：级数选择，级间热耦合，低温应用特点，级联结构设计

13. 蒸发冷却技术：普通蒸发、过蒸发、超蒸发冷却机理，蒸发冷却应用结构，蒸发冷却系统的组成

14. 综合实践案例：高热流密度水冷机柜设计方案

15. 综合实践案例：热管散热器在电子设备中的应用设计

16. 综合实践案例：热电制冷器工程设计与应用

 

专题四：热仿真分析与软件应用（Icepak/Flotherm）

培训目标

• 掌握热仿真分析的基本原理与流程

• 能够使用Icepak/Flotherm进行模型建立与网格划分

• 熟悉边界条件与热载荷设置方法

• 具备仿真结果解读与设计优化能力

培训内容介绍

1. 计算机辅助热分析概述：热仿真分析的价值与意义，CFD在热设计中的应用，仿真软件的发展历程，多尺度分析方法

2. Icepak软件功能简介：Icepak的主要应用领域，软件特点与优势

3. Icepak建模过程：在Icepak中创建/导入几何图形，使用SpaceClaim导入CAD几何图形的步骤，模型简化原则

4. Flotherm软件特点：Flotherm的市场地位，操作简便性，高效的运算能力，可靠的仿真结果

5. Flotherm建模流程：Flotherm XT基本架构，视窗与功能键介绍，Smartparts智能部件建模，基本练习题

6. 网格划分技术：网格类型选择，网格质量控制，局部网格细化，网格独立性验证

7. 边界条件设置：流动边界条件，热边界条件，环境参数设置

8. 热载荷施加：体积热源、面热源设置，时变热载荷，热耗的非均匀分布，多热源耦合

9. 求解设置与收敛控制：求解器选择，迭代步数设置，收敛判据，松弛因子调整，收敛问题诊断

10. 后处理与结果分析：温度场云图，速度矢量图，流线图，温度分布曲线，热点识别，动画制作

11. EDA导入与电热耦合：导入电路设定档案构建分析模型，节省建模时间，PCB详细建模

12. 参数化分析与优化：参数化分析功能，设计变量定义，响应分析，自动寻优

13. 瞬态热分析：瞬态分析设置，时变载荷定义，时间步长控制，热惯性效应，瞬态结果分析

14. 多尺度分析方法：从芯片级到系统级的联合仿真，模型降阶技术，边界条件传递

15. 仿真案例：UPS热仿真分析

16. 仿真案例：交换机热仿真分析

17. 仿真案例：笔记本电脑热仿真分析

18. 仿真案例：户外机柜散热设计实例

19. 仿真案例：3G移动基站机柜的热仿真及优化

20. 综合实践：完整电子产品热仿真分析与优化项目

 

专题五：热测试技术与可靠性验证

培训目标

• 掌握温度测量与热流测量方法

• 熟悉热成像测试技术与应用

• 理解热循环与热冲击测试标准

• 具备热性能评价与可靠性验证能力

培训内容介绍

1. 温度测量方法：热电偶测温原理与安装，热电阻测温，红外测温，不同测温方法的优缺点对比

2. 热流测量技术：热流计原理，热流传感器选型，热流密度测量方法，热流分布测试

3. 热成像测试：红外热像仪工作原理，发射率设置与校准，热像图分析，热点定位与定量分析

4. 热性能测试项目：稳态温度分布测试，瞬态热响应测试，热阻测试，接触热阻测试

5. 热循环测试：热循环测试标准，温度范围选择，循环次数确定，失效判据

6. 热冲击测试：热冲击与热循环的区别，液槽式热冲击，气流式热冲击，热应力评价

7. 热真空测试：航天产品热真空测试要求，真空环境模拟，热平衡测试，热真空循环

8. 功率循环测试：器件自身发热导致的循环，结温变化测量，功率循环寿命评估

9. 热性能草测与检查：热性能评价的目的与内容，热性能草测方法，热性能检查项目，通过标准

10. 热测试系统搭建：数据采集系统，热电偶布置，测试夹具设计，环境控制

11. 热测试与仿真的对标：仿真与测试的相关性分析，误差来源识别，模型修正方法，对标标准

12. 热可靠性评估：Arrhenius寿命模型，热加速因子计算，温度与失效率关系，可靠性指标分配

13. 热失效分析：热致失效模式，失效分析方法，失效报告撰写

14. 综合实践：典型电子产品的热测试方案设计与实施

 

专题六：行业综合案例与工程实践

培训目标

• 掌握不同行业热设计的特点与要求

• 能够综合运用热设计知识解决实际问题

• 熟悉热设计与结构设计、电气设计的协同

• 具备独立完成完整热设计项目的能力

培训内容介绍

1. 通信设备热设计：户外机柜热设计要求，密封与防尘考虑，自然散热与强迫风冷结合，太阳能辐射影响

2. 电源产品热设计：电源模块热流密度特点，变压器/电感等磁性元件散热，电解电容器温度寿命，电源散热案例

3. LED照明热设计：LED结温与光效关系，大功率LED散热途径，热沉设计，被动散热与主动散热选择

4. 服务器与数据中心热设计：服务器内部气流组织，CPU/GPU散热，机架级散热，数据中心整体热管理

5. 新能源汽车热管理：动力电池热管理，电机控制器散热，IGBT模块散热，整车热管理

6. 航天器热控制：空间热环境特点，被动热控技术，主动热控技术，热真空验证

7. 医疗设备热设计：医疗设备可靠性要求，静音设计需求，散热与噪声平衡，无菌环境对散热的影响

8. 消费电子热设计：轻薄化趋势下的散热挑战，手机/平板热设计，可穿戴设备散热，界面材料应用

9. 电子设备热分析软件应用研究：不同软件的对比与选型，软件二次开发，自动化流程

10. 典型密封式电子设备结构设计：密封机箱热设计难点，内外热交换途径，热虹吸环应用，导热框架设计

11. 功率器件热设计及散热器的优化设计：功率模块热路径分析，散热器选型与优化，热界面材料选择，安装工艺影响

12. 吹风冷却时风扇出风口与散热器间距离对模块散热的影响：最佳距离实验研究，CFD仿真验证，设计指导原则

13. 实验评估热设计软件：软件精度验证方法，标准测试案例，实验结果与仿真对比，误差分析

14. 热设计文档编写：热设计方案报告，仿真分析报告，测试报告，设计规范与检查表

15. 综合实战项目：完整电子产品的热设计与验证全流程

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