《智能硬件热设计》课件

智能硬件热设计欢迎学习智能硬件热设计课程随着智能硬件产品的日益普及和性能的不断提升，热设计成为影响产品性能、可靠性和用户体验的关键因素本课程将系统介绍智能硬件热设计的理论基础、仿真技术和实践应用，帮助学生掌握各类智能设备的散热设计方法我们将从基础理论出发，通过典型智能硬件案例分析，结合前沿散热技术，培养学生的热设计思维和实践能力，为未来在智能硬件领域的研发工作奠定坚实基础课程概述课程目标学习内容掌握智能硬件热设计的基本课程包含热设计基础理论、理论和方法，能够分析不同智能硬件热特性、热仿真技智能硬件的热特性，运用仿术、典型智能硬件散热设计真工具进行热分析，设计合案例分析、热测试与验证技理的散热方案，并掌握热测术，以及新型散热技术与应试与验证技术用等内容考核方式平时作业（）、热设计仿真项目（）、期末考试（）30%30%40%学生需完成一个完整的智能硬件热设计方案，包括理论分析、仿真计算和优化建议第一章热设计基础热设计基本概念掌握热传递机制和热管理基础热分析方法理解热阻网络和温度计算方法散热原则学习有效散热设计的基本原则热设计是智能硬件开发中不可或缺的环节，良好的热设计能够确保设备在各种工作条件下保持最佳性能本章将介绍热设计的基础理论和重要概念，为后续各章节的学习奠定基础热设计的重要性

1.1对产品性能的影响对可靠性的影响温度升高会导致芯片性能下降，电子元器件的寿命与温度呈指现代处理器通常设有温度墙，数关系，根据阿伦尼乌斯方程，一旦达到阈值会自动降频，直温度每升高，元器件寿命10°C接影响用户体验数据显示，可能缩短一半长期高温工作温度每升高，性能可还会加速材料老化，引发焊点CPU10°C能下降疲劳失效5-15%对用户体验的影响智能设备表面温度过高会造成用户不适，尤其是与皮肤接触的部位研究表明，手持设备表面温度超过会让用户感到明显不适，影响45°C产品口碑和销量热传递基本原理

1.2热对流是指热能通过流体流动进行传递的过程可分为自然对流和强制对流，对热传导流热阻受流体流速、流道设计和表面是指热能在物质内部分子间的传递，粗糙度等因素影响没有宏观物质移动固体内部主要通过传导散热，传导热阻与材料导热系热辐射数、传热路径长度和截面积相关是指物体通过电磁波形式向外传递热能辐射热传递不需要介质，辐射能力与物体表面温度的四次方成正比，与表面性质密切相关在实际智能硬件中，这三种热传递方式往往同时存在并相互作用设计师需要综合考虑各种传热路径，选择合适的散热策略，确保设备温度控制在合理范围内热管理基本概念

1.3热阻表示热量传递的难易程度，单位为°C/W或K/W，类比于电阻热阻越小，散热越容易系统总热阻是各部分热阻的串并联组合，影响最终温升热容表示物体储存热量的能力，单位为J/K热容越大，物体温度变化越慢，有助于缓解瞬态热峰值，但不能从根本上解决持续发热问题热流密度单位面积上的热流量，单位为W/m²高热流密度区域易形成热点，是散热设计的重点关注对象现代高性能芯片热流密度可达数百W/cm²理解这些基本概念对分析热传递过程和建立热分析模型至关重要在实际设计中，我们通常通过降低热阻、增加热容和分散热流密度等方式来改善设备的温度表现温度与功耗关系

1.4功耗与温升的关系功耗分布对温度的影响在稳态条件下，设备温升与功耗成正比，与总热阻相关即使总功耗相同，不同的功耗分布也会导致不同的温度分布集中的高功耗区域容易形成热点，造成局部温度过高ΔT=P×Rθ其中为温升，为功耗，为热阻因此，ΔT°C PW Rθ°C/W智能设计应避免热源过度集中，并在高功耗器件附近布置高效要控制温度，可以从降低功耗或热阻两方面入手散热通道，实现热量的快速疏导，避免热堆积现象功耗管理是热设计的前置工作，良好的功耗控制策略可以大幅降低散热设计难度现代智能设备通常采用动态功耗管理技术，根据实际负载调整性能水平，平衡用户体验和温度控制第二章智能硬件热特性热源特性分析识别主要热源及其特点材料热学特性了解常用材料的导热性能设备类型特点掌握不同智能硬件的热特性智能硬件种类繁多，各类设备因形态、功能和使用场景不同，其热特性与散热需求也有显著差异本章将分析常见智能硬件的热特点，包括主要热源、典型材料特性以及散热结构设计思路，为后续具体产品的热设计奠定基础常见智能硬件类型

2.1智能手机智能手表智能音箱设备VR/AR体积小、功率密度高、散热超小体积、贴身佩戴、防水长时间工作、声学要求与散佩戴舒适性要求高、光学元空间有限典型功耗，设计制约散热典型功耗热平衡功耗通常在区件对温度敏感功耗较高，3-10W

0.2-2-15W峰值可达以上用户对体感温度要求严格，皮间需要保证内部电子元件可达散热设计需避15W1W10-20W手感温度和续航要求高，散肤接触区域温度需严格控制稳定工作，同时控制表面温免面部不适、镜片起雾和图热设计需兼顾性能与舒适度在安全舒适范围内度，避免低频噪声影响用户像失真等问题体验智能硬件热源分析

2.270%CPU/GPU主要热源，功率密度最高，瞬态特性明显高性能计算时热功率可达数瓦至十几瓦，是智能设备散热设计的核心关注点15%电池充放电过程产生热量，大电流充电尤为明显快充技术的普及使电池热管理重要性增加，需避免热失控风险10%显示屏特别是高亮度、高刷新率显示时功耗明显OLED屏幕显示白色内容时耗电更多，热量增加5%无线通信模块信号发射时功耗提升，尤其是5G等高速通信技术弱信号环境下功耗更明显，需特别关注信号增益与热管理的平衡材料热学特性

2.3材料类型导热系数密度g/cm³典型应用W/m·K铜热管、散热片

4018.96铝机身、散热框架

2372.70石墨片1500面内

0.8-

1.2热扩散层导热硅胶界面材料1-

52.5-

3.5塑料PC

0.

21.2外壳、结构件材料的选择直接影响散热效果金属材料导热性能优异但重量大；塑料轻便但散热差；复合材料如碳纤维和石墨烯结合了轻量化和良好导热性能，成为智能硬件散热的新选择界面材料如导热硅脂、导热垫、相变材料等在热量传递中起着关键作用，能有效减少接触热阻散热结构设计

2.4被动散热设计主动散热设计不消耗额外能量，依靠自然传热过程散热消耗额外能量，通过外力加速热量传递热管利用相变原理传输热量，等效导热系数极高风扇散热强制对流，大幅提升散热效率••石墨片轻薄柔软，面内导热性能优异液冷系统利用液体高比热容特性散热••散热鳍片增大散热面积，改善对流散热效果半导体制冷利用帕尔贴效应实现局部制冷••相变材料吸收热量平滑温度峰值热电泵主动将热量从冷端泵向热端••优点无噪音、无能耗、高可靠性；缺点散热能力有限优点散热能力强；缺点能耗高、噪音大、可靠性较低第三章热仿真技术模型建立创建几何模型并设置边界条件网格划分将模型离散化为计算单元计算求解设置求解器参数并执行计算结果分析可视化温度分布并评估散热效果热仿真技术是现代热设计的核心工具，可以在产品开发早期预测温度分布，节省实物测试成本，缩短开发周期本章将介绍常用热仿真软件与基本操作流程，帮助学生掌握热仿真的关键技能热仿真软件介绍

3.1Ansys包含Icepak、Fluent等模块，功能强大，适用于复杂系统的多物理场耦合分析支持瞬态模拟和参数优化，但学习曲线较陡峭，许可费用较高Flotherm专注于电子设备散热分析，有丰富的电子元器件模型库，操作相对简单行业接受度高，特别适合PCB级和系统级热分析，但定制化功能相对有限SolidWorks Simulation与3D设计软件无缝集成，学习门槛低，适合机械设计师使用功能对于一般散热分析足够，但高级特性和计算效率不如专业热分析软件选择合适的仿真软件应考虑问题复杂度、现有资源和团队经验不同软件各有优势，在实际项目中往往需要多种工具配合使用，综合发挥各自优势对于初学者，建议先掌握一种软件的基本操作，再逐步扩展到其他工具热仿真模型建立

3.2边界条件设置材料属性定义定义热源和边界条件，确保仿真环境与实际情况一致几何模型为模型中的各部分指定准确的材料热学特性将实际产品简化为适合仿真的几何模型，主要包括以•导热系数（各向同性或各向异性）•功率源（热源）位置和功率值下步骤•密度和比热容（瞬态分析需要）•环境温度和对流系数•去除与热分析无关的细节，如小圆角、螺丝孔等•辐射特性（发射率、吸收率）•辐射边界条件•识别并保留关键散热结构，如散热片、风道等•热接触电阻（界面热阻）•初始温度（瞬态分析需要）•简化复杂组件，如PCB可简化为多层板•确定计算域和边界位置网格划分技术

3.3结构网格非结构网格由六面体单元组成，形状规则，由四面体单元为主，适应性强，计算效率高，结果精度好适用可自动生成网格适合复杂形状于形状规则的几何体，如散热器的几何体，操作简便，但计算量鳍片等但对于复杂几何形状适大，收敛性较差现代软件中通应性差，很难实现自动化网格划常采用混合网格，在关键区域使分，通常需要手动分区用六面体，其他区域用四面体网格质量控制网格质量直接影响计算精度和收敛性关键参数包括纵横比、正交性、偏斜度等在热点区域和流道等关键位置应加密网格；网格应从细到粗平滑过渡；检查并修复低质量网格单元合理的网格划分是成功热仿真的关键一般原则是关注区域细网格，非关键区域粗网格；温度梯度大的区域需要更密集的网格；初次仿真可使用较粗网格，获得大致结果后再针对关键区域细化网格求解器设置

3.4稳态求解瞬态求解分析系统达到热平衡状态时的温度分分析系统随时间变化的温度变化过程布，不考虑时间因素适用于长时间适用于间歇工作或负载变化频繁的设持续工作的场景，如音箱等设备计备，如手机游戏过程可反映热积累算量小，结果直观，但无法反映瞬变效应，但计算量大，需要合理设置时过程求解参数需设置适当的收敛控间步长和总模拟时间制和松弛因子收敛控制控制迭代计算的终止条件和过程稳定性包括残差控制、最大迭代次数设置、松弛因子调整等对于复杂模型，可能需要逐步调整松弛因子以确保收敛，或采用多步求解策略在实际工作中，通常先进行稳态分析获取系统整体散热性能，再针对关键工作场景进行瞬态分析对于散热系统优化，可结合参数化设计和优化算法，自动寻找最佳设计方案结果后处理

3.5温度云图热流分布关键点温度提取直观显示整个系统的温度分布状况，快分析热量传递路径和强度，评估散热设记录特定位置的温度数据，用于与实测速识别热点位置可通过调整色标范围计效果热流向量图可显示热量流动方数据对比或评估设计目标达成情况瞬突出关注区域的温度差异横截面、等向，帮助识别散热瓶颈热流密度图有态分析中，温度时间曲线可反映系统热-温面等多种显示方式有助于深入理解三助于发现热量集中区域，指导优化设计响应特性多工况对比分析有助于全面维温度分布评估散热性能第四章智能手机热设计散热挑战分析识别手机散热设计面临的主要困难散热方案设计掌握主流散热技术及应用布局优化PCB学习热源分布与散热路径规划结构与材料选择了解壳体与散热器材料选择原则智能手机是最普及的智能硬件，其散热设计面临高功耗、轻薄化和舒适度的多重挑战本章将系统介绍智能手机的热设计方法，包括热源管理、材料选择、结构设计等多个维度，帮助学生掌握手机散热设计的关键技术智能手机热设计挑战

4.1高功耗与轻薄化矛盾多热源耦合现代旗舰手机峰值功耗可达以上，手机内部、射频模块、快充电路等多SoC10W SoC而厚度仅，散热空间极其有限同个热源同时工作，热量相互叠加，特别是7-8mm时用户对轻薄度的追求进一步加剧了散热游戏同时充电场景下，多热源耦合效应显设计难度著用户体验要求散热空间受限手机长时间握持，用户对温度十分敏感电池占据内部空间大部分，同时摄像头模研究表明手机外壳温度超过会造成明组、扬声器等关键元件进一步压缩了散热45°C显不适，而高性能场景下内部芯片温度往空间尤其是高端手机追求高屏占比，边往超过框极窄，散热路径更加受限80°C热设计方案

4.2石墨散热利用高导热石墨片传导热量，厚度，面内导热系数以上，可沿平面快速扩散热量适合超薄设备，但

0.02-

0.07mm1500W/m·K横向导热性能有限热管设计微型铜制毛细热管，直径

0.4-

0.8mm，有效传热距离可达50-80mm，热阻低至

0.1-

0.2°C/W配合石墨片使用，可实现热量的快速长距离传输液冷散热蒸汽室技术，内含少量工质，通过相变实现高效散热厚度仅，却能覆盖整个区域，热阻比石墨片低，VC

0.4-

0.8mm SoC40-60%是旗舰机型的主流方案布局优化

4.3PCB热源分布优化避免热源集中，降低热堆积风险热密集区域处理加强高功率密度区域的散热能力关键器件布局考虑3温敏元件远离热源，确保可靠性PCB布局是手机散热设计的基础，合理的布局可以显著降低后续散热设计难度主要热源SoC应尽量靠近中框边缘，便于热量向外传递；电池和SoC之间应保持足够距离，避免相互加热；射频功放、快充IC等次级热源应分散布置，避免局部热点；温度敏感元器件如摄像头、指纹传感器应远离热源同时，应在PCB上设置足够的铜箔层和过孔，形成高效热传导路径关键热源下方可设计热辐射层，通过过孔阵列将热量快速传递到散热结构壳体材料选择

4.4散热器设计

4.5鳍片设计接触面积优化鳍片是常见的散热结构，通过增加散热器与热源的接触是热传递关键表面积提高散热效率手机中常采环节采用导热硅脂或相变材料填用铜或铝制鳍片，厚度

0.2-

0.4mm，充微小缝隙；增大接触面积，确保高度1-2mm鳍片间距、高度和充分覆盖热源；表面加工平整度控厚度需权衡散热效果与空间限制，制在

0.02mm以内，减少接触热阻一般间距不小于

0.8mm，以确保气流畅通重量与效果平衡散热器重量直接影响手机整体重量通过拓扑优化减轻重量同时保持散热性能；评估散热增益与重量增加比例，确保投入产出比；采用高导热轻量材料如石墨烯复合材料减轻重量智能手机散热器设计需考虑多种约束条件，除了散热性能外，还需兼顾重量、成本、可制造性等因素优秀的散热器设计应根据产品定位和使用场景，在多个目标之间找到最佳平衡点第五章智能手表热设计超小型散热设计适应极限空间约束的热管理方法低功耗热管理电池和处理器的精确温控舒适度优化皮肤接触区域的温度控制策略智能手表作为贴身穿戴设备，其热设计面临着独特的挑战本章将探讨如何在极小的空间内实现有效的热管理，确保设备性能稳定的同时不影响用户佩戴舒适度我们将分析手表特有的热源特点、散热路径设计以及材料选择策略智能手表散热难点

5.1极限小型化佩戴舒适度要求防水设计影响智能手表通常厚度仅手表直接接触皮肤，智能手表通常需达到，直径人体对温度变化极为以上防水等级，10-14mm30-5ATM，内部空间极其敏感皮肤长时间接密封性要求高这意45mm有限SoC、电池、触40°C以上物体会感味着几乎没有对外通传感器等组件紧密排到不适，甚至可能造风口，热量难以通过布，几乎没有专用散成低温烫伤需严格对流方式散出，进一热空间，热量积累风控制表底温度步增加了散热难度险高与智能手机相比，智能手表的散热设计更加依赖于材料导热性能和热分布控制，而非增加散热结构设计师需创造性地利用手表结构本身作为散热通道，平衡性能需求与热管理要求热源管理策略

5.265%25%低功耗设计电池热管理SoC采用先进工艺节点7nm或更低SoC，降低基础优化充电电流曲线，避免快充带来的发热；电池功耗；智能频率调节，根据负载动态调整性能；温度监测与保护，超温时降低充电功率；锂电池任务分级处理，重负载操作交由配对手机处理远离SoC布局，减少相互热影响10%显示屏热控制自适应亮度控制，降低不必要功耗；采用省电显示技术如LTPO OLED；使用热隔离材料将屏幕与内部热源分隔智能手表热管理策略的核心是控源而非强散通过精细的功耗管理，将发热量控制在散热能力可承受范围内，是手表热设计的关键现代智能手表常采用场景化功耗策略，在不同使用场景下动态调整性能与散热的平衡点结构散热设计

5.3表带散热利用表壳材料选择内部空间优化创新设计可将表带作为辅助散热通道不同材料影响散热效能和温度分布极限空间下的热路径规划铝合金轻量化，导热性好，易于超薄散热片连接主热源与表壳••金属表带可作为热辐射散热翼，扩加工•双面设计，增加铜箔层散热•PCB大散热面积不锈钢强度高，导热一般，表面•采用导热硅胶填充关键热源间隙•在连接处嵌入高导热材料，加速热温度上升慢•器件布局最优化，避免热点叠加•传递钛合金轻量高强，导热较差，适•立体布局考虑热层级，使热量自下特殊表带结构设计，增加表面积提合分散热点3D•而上传递高自然对流陶瓷中等导热性，表面温度均匀，•触感舒适需平衡散热效果与佩戴舒适度，避免表带过热导致不适高端表款可采用复合材料结构，兼顾散热与轻量化热仿真案例分析

5.4第六章智能音箱热设计散热与音质平衡解决噪声控制与有效散热的矛盾气流组织优化设计高效自然对流散热结构主动散热系统开发低噪音主动散热方案电源热管理控制电源系统发热问题智能音箱因其长时间持续工作和音质要求，面临着独特的散热挑战本章将探讨如何在保证音质和用户体验的前提下，解决音箱内部热量积累问题，重点介绍自然对流散热设计、低噪音风扇应用以及电源热管理等关键技术智能音箱热设计特点

6.1音质要求与散热的平衡散热孔和风扇会产生噪音或改变腔体声学特性过多通风口会影响低频表现，而风长时间持续工作扇噪声会干扰音乐欣赏体验散热设计必音箱通常处于永远待机状态，核心处理器须与声学设计协同进行持续运行以响应唤醒处理器虽采用低功耗设计，但热量长期累积仍会导致温度缓美观与功能的统一慢上升，需考虑长时间运行的热稳定性智能音箱通常放置在客厅等显眼位置，外观设计要求高散热结构需要与整体外观融为一体，避免传统电子设备的工业风格，追求家居美学智能音箱的散热设计需综合考虑功能性、音质和美观度与手机等需要强散热的设备不同，音箱散热更多依赖于合理的空间布局和气流组织，而非高效散热器设计中需重点解决热量与声学空间共存的问题自然对流设计

6.2通风孔设计内部气流组织烟囱效应利用通风孔位置、尺寸和形状直接影响气流合理规划内部空间，形成清晰的气流通创造足够的高度差，增强自然对流动力组织底部进风孔设计常采用环形分布，道热源应位于气流路径上，而非死角底部冷空气进入，经过发热元件加热后确保稳定进气；顶部或侧面出风口需考位置；使用导流板引导气流经过主要热密度降低，从顶部排出，形成自然循环虑美观性，常与产品造型融合通风孔源；内部组件布局应考虑热分层效应，设计中应最大化进出风口高度差，增强总面积应与内部热负荷匹配，一般占表避免上游热量影响下游组件烟囱效应，提高被动散热效率面积的5-15%主动散热方案

6.3低噪音风扇选择风扇是主动散热的核心，但噪音控制至关重要•选用大尺寸低转速风扇，相同风量下噪音更低•轴承类型影响噪音特性，流体动压轴承较静音•叶片设计优化，降低气流紊流和切割噪音•风扇噪音频谱调校，避开人耳敏感频段1-4kHz风道设计优化良好的风道设计可提高散热效率并进一步降低噪音•避免风道急转弯，减少气流紊流和阻力•进出风口添加消音结构，如蜂窝状或迷宫型•风道内表面覆吸音材料，降低高频噪音•风道截面渐变设计，减少压力波动和噪音智能温控策略通过智能控制算法，平衡散热需求与噪音控制•多级风速控制，根据温度阶梯式调整转速•延迟启停策略，避免频繁开关风扇带来的注意力分散•场景识别调整，播放音乐时降低风扇转速•温度预测算法，提前启动散热避免温度突增电源热管理

6.4高效电源设计变压器散热电源效率直接影响发热量，现代智能音变压器是电源中主要发热源，散热设计箱应采用高效开关电源，效率通常需达至关重要选用合适磁芯材料和线径，到85%以上使用新型GaN或SiC器件可降低铁损和铜损；采用导热环氧树脂灌进一步提高效率至92%以上，显著降低封，提高散热效率；在变压器周围预留发热量同时应优化待机功耗，减少长足够气流空间，避免热积累；必要时可期累积热量使用导热片连接变压器与外壳电源管理布局IC电源管理IC工作时发热明显，布局需特别注意将PMIC置于良好气流通道上；在IC下方增加散热铜区和过孔阵列；与其他热敏元件保持足够距离，避免相互影响；考虑添加小型散热片，增加散热面积电源系统作为智能音箱中持续工作的模块，其热管理对整机稳定性至关重要良好的电源热设计不仅可以降低整机温度，延长元器件寿命，还能减少能源消耗，提高产品的环保性能第七章设备热设计VR/AR用户舒适度优化面部区域温控与重量平衡计算单元散热2高性能处理器的热管理方案光学系统散热精密光学元件的温度控制设备因其佩戴特性和高性能需求，面临着独特而严峻的散热挑战本章将分析头戴式设备的散热难点，探讨计算单元、光VR/AR学系统的热管理策略，以及如何在确保设备性能的同时保证用户佩戴舒适度设备散热挑战

7.1VR/AR高功耗与佩戴舒适度矛盾光学系统对温度敏感面部接触区域温度控制现代VR设备处理器功耗通常在5-15W，VR/AR设备中的镜片、光学模组对温度面部皮肤散热能力有限，长时间接触高再加上显示屏和传感器功耗，总热量相变化敏感，可能因热膨胀导致光路偏移，温物体可能导致不适甚至低温烫伤研当可观然而，头部佩戴设备对重量和影响成像质量高温还可能加速镜片涂究表明，面部长期接触温度不应超过舒适度要求极高，无法采用大型散热器层老化，缩短使用寿命镜片容易因温38°C同时，额头、鼻梁等骨骼突出部用户面部皮肤对温度尤为敏感，长期接差产生雾气，直接影响用户体验，需要位承受的压力较大，这些区域温度需更触甚至中等温度也会造成不适精确的温度控制严格控制VR/AR设备散热设计的核心挑战在于如何在有限空间和重量约束下，有效管理较高的热负荷，同时确保用户舒适度和光学系统性能这需要创新的材料应用和结构设计，以及精确的热分布管理光学系统散热

7.2镜片防雾设计显示屏散热光机热管理镜片起雾是体验的主要问题之一，高分辨率显示屏在高亮度工作时产生大光机模组包含精密光学元件，需精确温VR源于人眼周围湿热空气与较冷镜片接触量热量，需要有效散热控以保证成像质量凝结导热背板显示屏背部贴附高导热热稳定结构采用低膨胀系数材料••主动加热系统在镜片边缘布置微石墨片或铝板制作支架•型加热元件热分离设计显示热量引导远离面热屏蔽设计隔离光机与主要热源••防雾涂层特殊亲水涂层使水汽均部区域•匀分布亮度智能调节根据内容和环境动温度均衡化避免光学元件温度梯••气流导向设计气流通道引导干燥态调整亮度度过大•空气流过镜片显示技术选择选用等主动温控关键光学元件配备温度•MicroOLED•温度传感与控制实时监测温度，低功耗显示技术传感器和控制系统•保持高于露点计算单元散热

7.3SoC散热方案处理器是VR设备的主要热源，通常采用多层级散热方案贴片散热铜片直接接触芯片，导出热量；热管或均热板将热量传递到远离面部的区域；轻量化散热鳍片增大散热面积；低噪音风扇提供强制对流部分高端设备采用相变材料平衡峰值负载热量内存散热考虑高性能VR设备使用高速内存，也会产生可观热量通过与主板共面的导热铜层疏导热量；设计独立小型散热片；利用系统风道顺带散热；在封装上采用散热性更好的材料如导热环氧树脂电池热管理VR设备通常内置锂电池，充放电产生热量电池温度监控与保护电路确保安全；热隔离设计防止SoC热量影响电池；选择低内阻电池减少发热；在电池周围预留散热空间舒适度优化

7.4第八章热测试与验证测试设备准备选择合适的温度测量工具环境搭建创建标准化测试环境测试方法执行遵循规范化测试流程数据分析评估处理测试数据并验证设计热测试与验证是热设计过程中不可或缺的环节，它能够验证设计方案的有效性，发现潜在问题，并提供优化方向本章将介绍热测试所需的设备、环境搭建、测试方法以及数据分析技术，帮助学生掌握规范化的热测试验证流程热测试设备介绍

8.1红外热像仪热电偶温度记录仪非接触式测温设备，能够可视化表面温基于塞贝克效应的接触式测温元件，常数据采集设备，用于连接多个温度传感度分布分辨率从80×60到1280×1024不见类型包括K型、T型、J型等直径从器并记录数据采样率从1Hz到数千Hz等，测温精度典型值±2°C使用前需设

0.08mm到3mm不等，可测高温范围-不等，通道数从4到几百不等现代温度置正确的发射率，并注意环境反射干扰至，精度典型值使记录仪通常配备数据处理和可视化功能，200°C1350°C±1°C适合快速检测热点分布和表面温度模式，用时需确保良好接触和足够热容量，适支持远程监控和自动报警适合长时间但无法测量内部温度合点温度精确测量，可探测内部温度温度趋势分析和多点同步测量测试环境搭建

8.2恒温恒湿室标准化的测试环境，确保测试结果的一致性和可比性典型规格•温度控制范围15-35°C，精度±

0.5°C•湿度控制范围20-80%RH，精度±5%RH•空间均匀性温度梯度1°C/m•稳定时间通常需要2-3小时达到稳定状态气流控制管理环境气流对测试结果的影响•自然对流测试气流速度

0.1m/s•强制对流测试可控风速

0.2-

2.0m/s•气流方向控制确保一致的流向•湍流强度监测保持气流稳定性背景辐射控制减少环境辐射对红外测量的干扰•墙面处理低反射率材料或涂层•背景温度均匀化减少温度梯度•反射屏蔽使用反射屏障隔离热源•环境补偿测量环境温度并在计算中校正典型测试方法

8.3稳态测试测量设备在持续工作负载下达到热平衡状态时的温度分布通常需要运行设备直至关键点温度变化率小于1°C/15分钟适用于评估长时间工作状态下的散热性能，是最基础的热性能测试方法测试时间较长，通常需要1-3小时瞬态测试测量设备在负载变化过程中的温度动态响应包括升温曲线（从休眠到满载）和降温曲线（从满载到休眠）适用于评估热设计对负载波动的响应能力，以及热容量的影响需要高频率数据采集，通常为

0.1-1Hz极限条件测试在极端环境或使用条件下测试设备的热性能，如高环境温度（35-45°C）、满载运行、多功能同时开启等目的是验证设备在最恶劣条件下的可靠性和安全性测试过程需严格监控，防止设备损坏，通常需设置自动保护机制除了上述基本方法外，实际工作中还常使用循环负载测试、温度跃变测试、多设备交互测试等专项方法，针对特定使用场景进行评估测试方案的选择应基于产品特点和用户使用模式，确保测试结果能够反映实际使用体验数据采集与分析

8.4测点选择数据记录方法数据分析软件应用合理的测点布置是获取有效数据的基础确保数据完整性和准确性的采集策略利用专业软件工具提高分析效率•主要热源中心及周边区域•采样频率稳态测试1-10秒/次，瞬态测•热像仪分析软件处理红外图像，生成温•关键组件表面（如GPU、CPU、电源）试

0.1-1秒/次度分布•用户接触区域（如设备外壳）•同步记录温度数据与设备工作状态同步•数据可视化工具创建温度-时间曲线图表•空气流道入口和出口•存储格式通用格式如CSV，便于后续分•统计分析软件计算平均值、峰值、标准•热敏感元件位置（如电池、光学元件）析差等测点密度应根据温度梯度分布，梯度大区域•备份策略实时备份防止数据丢失•CAD对比工具测试数据与仿真结果对比布点密集•时间戳精确记录测试时间点•报告生成系统自动整合数据生成标准报应建立标准化测试记录，包含环境条件和设告备状态分析中应关注温升速率、稳态温度、热均匀性等指标热设计验证流程

8.5样机测试在产品开发初期，对工程样机进行全面热性能测试包括详细温度分布测量、多工况覆盖测试和极限条件测试目标是发现设计缺陷，验证仿真准确性，为设计优化提供依据通常需要多轮测试-改进循环量产前验证在最终设计确定后，对预产样机进行热性能验证测试内容包括标准工况测试、极限条件下长时间运行测试以及生产公差影响评估目标是确认最终设计满足所有热性能要求，并评估量产过程中可能的波动影响批量检验在产品量产过程中，对抽样产品进行热性能检测采用简化但标准化的测试方法，关注关键点温度和热分布模式目标是监控生产质量稳定性，确保散热性能一致性，及时发现并解决生产偏差问题热设计验证是一个系统性工作，需要贯穿产品开发全周期有效的验证流程应结合计算机仿真和实物测试，在开发早期发现并解决问题，避免后期大规模设计变更同时，验证结果应形成标准化文档，作为未来产品开发的参考和依据第九章智能硬件散热新技术随着智能硬件性能不断提升和小型化趋势持续发展，传统散热技术逐渐面临瓶颈本章将介绍一系列前沿散热技术，包括相变材料、微流道散热、热电制冷、石墨烯应用等，这些创新技术为智能硬件散热带来了新的解决方案这些新技术各有其适用场景和优缺点，通过对其基本原理、制造工艺和应用案例的分析，我们可以更好地理解现代智能硬件散热的发展趋势，并为未来设计提供新思路相变材料应用

9.1原理介绍智能手机中的应用PCM相变材料PCM利用固液相变过程中在智能手机中，PCM通常以

0.3-的潜热吸收大量热能，在相变温度附

0.8mm厚度的薄片形式应用于SoC周近能够吸收或释放热量而维持恒定温围可以有效处理突发性高负载，如度典型PCM相变温度范围为35-游戏启动或相机使用等场景，防止短65°C，潜热可达200-300J/g，远高于时间内温度急剧上升导致性能降频金属材料的显热其工作原理类似于研究表明，PCM可延缓50-70%的温升热缓冲器，能够平滑温度波动，延缓时间，为散热系统争取更多响应时间温度上升可穿戴设备中的应用在空间极其有限的智能手表等可穿戴设备中，PCM提供了无需额外空间的散热方案通过将PCM与表壳内部结构集成，可有效控制接触皮肤区域温度，提高佩戴舒适度同时，PCM的热缓冲特性可平衡日常使用中的短时高负载场景，减少温度波动相变材料技术近年来快速发展，从最初的普通石蜡基材料，到现代微胶囊PCM和形状稳定型PCM，散热性能和实用性不断提高未来发展趋势包括开发更高能量密度、更精确相变温度的新型材料，以及与其他散热技术的复合应用微流道散热技术

9.2制造工艺主要制造方法包括MEMS工艺、精密CNC加工、3D打印和电铸工艺等其中MEMS工艺可实现最精细的流道结构但成本高；CNC加工适合原型开发；3D打印近年来快速发展，微流道设计原理可实现复杂三维流道；电铸工艺则有利于批量生产材料选应用案例分析择以铜、铝和不锈钢为主微流道散热技术基于微米级流道结构内液体流动带走热量的微流道技术已在高端智能手机和AR眼镜中有所应用某旗原理流道直径通常为10-500μm，远小于传统液冷系统舰手机采用

0.5mm厚的微流道散热板，取代传统蒸汽室，热微小尺寸带来了极高的表面积体积比和换热系数，理论换热阻降低40%，峰值温度降低8-10°CAR眼镜使用双层微流系数可达10,000-100,000W/m²·K，是传统冷却方法的数十道系统分别冷却处理器和显示系统，实现高效散热同时控制倍面部温度微流道技术虽然散热效果显著，但仍面临泵体积、能耗、可靠性和成本等挑战未来研究方向包括被动驱动系统、低功耗微泵和更好的流道结构优化，以及与相变材料的复合应用随着制造工艺进步和成本下降，微流道技术有望在更多智能硬件中普及热电制冷技术

9.3石墨烯散热应用

9.

450000.34面内导热系数单层厚度W/m·K nm理论导热性能远超铜401W/m·K和石墨1500极薄特性使其非常适合空间受限的智能设备W/m·K200杨氏模量GPa优异的机械性能使其耐用且可弯曲石墨烯是由单层碳原子组成的二维材料，具有极高的面内导热系数，是目前已知导热性能最好的材料之一在智能硬件散热中，主要使用多层石墨烯薄膜或石墨烯复合材料，可制成厚度为10-100μm的散热片，比传统石墨片导热性能高30-50%制备方法包括机械剥离法、CVD法、氧化石墨还原法等其中CVD法可生产高品质但成本高；氧化石墨还原法成本较低但性能略差；直接液相剥离法适合大规模生产在智能手机、平板电脑和可穿戴设备中，石墨烯材料已开始商业化应用，显著提升散热性能热管技术

9.53D热管结构设计制造工艺突破应用案例分析3D传统热管由于加工工艺限制，一般为直热管制造的关键突破在于毛细结构和某超薄笔记本电脑采用直径热3D

0.6mm3D线或单一弯曲形状，不能很好适应复杂密封技术新型激光加工可在微小管壁管，在仅厚度的机身内创建了高效6mm的空间布局新一代热管采用多维内创建精细毛细结构；超精密弯管技术散热路径，性能提升可折叠智能3D3D40%弯折设计，可在三个方向自由弯曲，保证变形过程中不损伤内部结构；自动手机中，热管穿过铰链区域，解决了xyz3D能够绕过各种障碍物，实现热量的立体化真空灌注和密封技术提高了生产效率散热断点问题眼镜利用热管将热AR3D传输典型直径已小至，可在极和一致性这些工艺进步使得复杂形状量从前端光学模块传导至后部散热区，

0.4mm小空间内布置热管的大规模生产成为可能大幅降低面部温度第十章热设计与其他学科的交叉结构设计协同电磁兼容性设计热设计与结构设计紧密结合，需要在散热开孔可能成为电磁泄漏的途径；强度、重量和散热之间寻找平衡散金属散热结构可能形成意外天线或影热结构往往同时承担机械支撑功能；响原有天线性能；导热材料的电气特壳体开孔既影响结构强度又关系散热性需要仔细评估；EMC屏蔽与散热往效果；装配工艺需考虑热界面材料的往存在直接冲突，需要创新解决方案应用方式工业设计与用户体验外观设计直接影响散热效果；用户接触区域的温度控制关系体验；噪音控制是音频产品的关键；散热结构需与产品美学协调，实现功能与形式的统一现代智能硬件设计是一个跨学科融合的过程，热设计不能独立存在，必须与其他领域紧密协作本章将探讨热设计与结构、电磁兼容、工业设计和可靠性等领域的交叉与协同，帮助学生形成系统化的设计思维结构设计协同

10.1结构强度与散热的平衡模具设计中的散热考虑装配工艺与散热性能结构设计与散热设计往往存在矛盾模具设计直接影响塑料部件散热性能装配过程直接影响实际散热效果壳体开孔增加散热但降低强度，需计壁厚控制影响热阻，需避免局部过厚螺丝扭矩控制影响接触压力和热阻•••算开孔率上限导热材料施加方法和厚度控制极其关•轻量化要求与散热质量需求相冲突，浇口位置可能影响材料密度和导热性键••需权衡材料选择自动化装配需确保散热组件精确定位•结构支撑点与热传导路径可能重叠，金属嵌件成型工艺对散热通路至关重••需协调设计要可维修性设计需兼顾散热结构完整性•刚度要求可能限制弹性接触的热界面脱模角设计要考虑散热器接触面积最••材料应用大化装配后检测和热性能验证是保证质量的关解决方法是使用多物理场耦合仿真，找到高精度模具能保证散热部件的尺寸稳定性键环节最佳平衡点和良率电磁兼容性设计

10.2共同优化策略通过特殊设计实现EMC和散热的双重目标屏蔽与散热的矛盾EMC电磁屏蔽要求封闭金属壳体，而散热需要开孔通风，两者直接冲突案例分析实际产品中EMC与散热协同设计的成功经验EMC屏蔽要求创建连续的金属壳体阻挡电磁波传播，而散热则需要开孔促进空气流通，两者存在根本性矛盾常见解决方案包括使用金属网格代替大孔洞，网格尺寸小于关注频率波长的1/20；采用蜂窝状通风结构，既允许气流通过又能抑制电磁波；设计波导截止结构，如深而窄的通风槽；使用导电泡沫材料，兼具透气性和屏蔽性散热器本身也会影响天线性能，特别是大型金属散热器可能成为寄生天线或屏蔽天线信号解决方法包括散热器接地设计，防止形成浮地天线；散热器与天线的位置优化，减少相互影响；在关键区域使用非金属散热材料，如陶瓷或热塑性复合材料工业设计融合

10.3美学与功能的平衡是现代智能硬件设计的核心挑战散热元素可以转化为设计亮点通风孔可采用品牌标志或独特图案排列；散热鳍片可融入产品线条设计语言；材料纹理可兼具散热和触感提升；甚至散热风扇也可变成透明可视化设计元素创新散热结构设计需与工业设计师密切合作，在概念阶段就考虑散热需求双色注塑技术可以创造散热区与美学区的自然过渡；隐形散热设计可将开孔藏于缝隙或阴影中；透明材料与彩色散热液的组合可创造动态视觉效果；甚至可利用热致变色材料，使产品在温度变化时改变外观可靠性设计

10.4热循环对可靠性的影响热循环是电子产品失效的主要原因之一•材料热膨胀系数不匹配导致界面应力•焊点在热循环下发生疲劳失效•热粘结剂老化导致热阻增加•热界面材料挤出或干化降低散热效果•反复热胀冷缩导致机械连接松动热应力分析热应力分析是可靠性设计的关键工具•有限元分析计算温度分布和热变形•热-机械耦合仿真评估应力分布•界面层特别关注，如芯片与基板连接•材料组合优化，减少热膨胀不匹配•设计应力释放结构，如柔性连接长期可靠性评估方法通过加速测试预测产品长期可靠性•热循环测试快速温度变化-40°C至85°C•高温高湿测试85°C/85%RH环境下长期存放•热冲击测试极端温度快速切换•功率循环测试设备开关循环产生内部热应力•可靠性预测模型应用，如Coffin-Manson模型第十一章热设计标准与规范标准类型主要内容适用范围半导体热性能测试芯片级热设计JEDEC热设计规范电路板级设计IPC PCB军用设备热可靠性高可靠性系统MIL-STD信息设备安全温度消费电子产品ISO/IEC行业规范特定产品热设计要垂直行业应用求热设计标准和规范为产品开发提供了基础指导和评价依据本章将介绍主要的国际热设计标准以及不同行业的特定规范，帮助学生了解如何在实际工作中遵循规范化的热设计流程国际热设计标准

11.1标准标准JEDEC IPC半导体工业协会制定的热测试和热性能标电子互联与封装协会的标准主要关注PCB准，是芯片级热设计的主要参考热设计IPC-2152提供了PCB导体电流JESD51系列规范了热阻和热特性测量方承载能力和温升关系；IPC-TM-

6502.

6.4法；JESD22-A105定义了功率和温度循定义了热应力测试方法；IPC-6012规定环测试；JESD22-A104规定了温度冲击了刚性PCB的热性能要求这些标准指导测试要求这些标准确保了不同厂商间测PCB热布局设计、铜箔厚度选择和过孔设试结果的可比性，为散热方案设计提供了计，确保电路板在工作温度范围内可靠运基础数据行军用标准军用标准对热设计有更严格的要求MIL-STD-810G定义了各种极端环境下的测试方法；MIL-HDBK-217F提供了电子设备可靠性预测方法，包括温度影响；MIL-STD-1472提出了军用设备人机界面温度限制这些标准强调极端条件下的可靠性，即使不直接应用于民用产品，也为高可靠性设计提供了重要参考除上述标准外，ISO/IEC60950信息技术设备安全、ASTM D5470导热材料测试等也常用于热设计工作理解并正确应用这些标准，是确保产品安全性、可靠性和兼容性的基础，也是专业热设计工程师的必备技能行业热设计规范

11.2消费电子产品热设计规范智能手机行业通常要求设备外表面温度不超过45°C，以避免用户不适；笔记本电脑键盘区域温度不应超过40°C，底部不超过50°C；可穿戴设备皮肤接触区域通常限制在40°C以下这些规范注重用户体验和舒适度，同时兼顾性能需求医疗设备热设计要求医疗设备有更严格的温度控制要求直接接触患者的设备表面温度通常限制在41°C以下；植入式设备需控制温升不超过2°C；诊断设备需避免热干扰影响测量精度医疗设备还需考虑清洁消毒对散热系统的影响，以及长期可靠性要求汽车电子热设计标准汽车电子需在-40°C至125°C的环境温度范围内可靠工作；AEC-Q100规定了汽车集成电路的温度循环测试要求；ISO26262对安全关键系统的温度监测提出了具体要求汽车环境下的振动、湿度和温度复合应力，对散热系统提出了更高的耐久性要求不同行业规范反映了特定应用场景的需求，一个好的热设计方案必须符合相关行业标准在实际工作中，设计师需要熟悉目标市场的规范要求，将其作为设计约束条件，在满足这些基本要求的基础上追求性能和用户体验的最优化课程总结知识点回顾我们系统学习了热设计基础理论、智能硬件热特性、热仿真技术和典型设备散热方案，掌握了从理论到实践的热设计全流程，建立了热设计系统思维热设计发展趋势未来热设计将向集成化、智能化和环保化方向发展，新材料和新工艺不断涌现，计算流体力学与人工智能结合将提升仿真效率，散热系统将更加智能和动态化学习资源推荐推荐《电子设备散热设计》、《微电子散热》等经典教材，IEEE热管理会议和期刊是学术前沿资源，各大散热企业技术白皮书提供了实践参考热设计是智能硬件研发中至关重要的环节，优秀的热设计能让产品在性能与可靠性之间找到平衡点希望通过本课程的学习，同学们不仅掌握了热设计的理论知识和实用技能，更培养了系统思考和跨学科协作的能力，为未来参与智能硬件研发奠定坚实基础热设计是一门不断发展的学科，鼓励同学们持续关注行业动态，结合实际项目深化理解，在实践中不断提升自己的专业能力和创新思维。