楊蘭平

【摘要】 電子元器件的散熱問題，能夠影響電子設(shè)備的壽命和性能，利用現(xiàn)有的熱分析軟件，在電子設(shè)備的設(shè)計(jì)階段，了解其溫度分布情況，對設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，從而提高電子設(shè)備的可靠性，本文在電子設(shè)備熱分析理論的基礎(chǔ)上，結(jié)合熱分析軟件的特點(diǎn)，對建模情況、導(dǎo)熱情況、對流情況等影響分析結(jié)果的因素進(jìn)行了簡要的問題，最后結(jié)合Icepak熱分析軟件，對電子設(shè)備熱分析中如何利用軟件對溫度進(jìn)行控制進(jìn)行介紹，希望能給實(shí)際的電子設(shè)備熱分析提供一定的參考。

【關(guān)鍵詞】 電子設(shè)備 元器件 熱分析技術(shù) 熱分析軟件

隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展，電子元器件逐漸微型化、高功耗化，功耗的增加使得不同元器件間的熱流密度增加，相關(guān)的統(tǒng)計(jì)表明，在電子產(chǎn)品發(fā)生的故障中，有55%以上是由于冷卻系統(tǒng)原因?qū)е碌?。溫度的升高會?dǎo)致電子元器件失效率提高，如果沒有采取良好的熱控制技術(shù)，電子元器件的壽命和可靠性都會受到很大的影響。熱分析軟件的主要作用是模擬電子設(shè)備的熱狀況，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段中，利用軟件進(jìn)行仿真，找到電子設(shè)備模型中溫度最高的地方，然后對電子設(shè)備的設(shè)計(jì)進(jìn)行修改，或采取相應(yīng)的散熱方法，將溫度控制在允許的范圍內(nèi)，使得產(chǎn)品能夠一次成功，提高電子設(shè)備的性能和可靠性。

一、電子設(shè)備熱分析的理論

電子設(shè)備的散熱主要有三種方式，分別為對流散熱、輻射散熱和導(dǎo)熱，對流散熱是利用元器件表面和周圍接觸，由于存在溫度的差距而進(jìn)行的熱量交換，實(shí)際的散熱有自然對流和強(qiáng)迫對流兩種，自然對流也叫被動散熱，通常不采用風(fēng)扇燈散熱措施，利用電子元器件工作時產(chǎn)生的熱量與周圍自然存在的溫差進(jìn)行熱交換。強(qiáng)迫散熱也叫主動散熱，利用風(fēng)扇、水冷等方式，人為的增加電子元器件和周圍之間的溫差，根據(jù)牛頓冷卻方程qn=h（Tw-Tf），其中h為換熱系數(shù)，Tw為電子元器件表面的溫度，Tf為周圍流體的溫度。導(dǎo)熱理論是建立在傅立葉定律的基礎(chǔ)上，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為qn=λdT/ dx，λ為電子元器件材料的導(dǎo)熱系數(shù)，qn為熱流密度。

二、熱分析軟件簡述

電子設(shè)備熱分析中熱分析軟件的應(yīng)用，主要有數(shù)值分析法和解析法兩種，解析法主要解決簡單的熱分析問題，而數(shù)值分析法利用離散數(shù)學(xué)和數(shù)值計(jì)算，在計(jì)算機(jī)的環(huán)境中對大量復(fù)雜問題進(jìn)行計(jì)算，隨著電子元器件的發(fā)展，目前熱分析軟件主要采用數(shù)值分析法。

由于現(xiàn)在使用的電子元器件，其散熱都需要考慮很多因素，如元器件的分布、材料和幾何因素等，熱分析軟件可以將這些因素都加入到電子設(shè)備的模型中，快速的計(jì)算出電子設(shè)備溫度分布情況。

目前市面上有很多電子設(shè)備熱分析軟件，如Flotherm軟件、Icepak軟件等，受到我國軟件技術(shù)水平的限制，我國沒有自主研發(fā)熱分析軟件，使用的熱分析軟件都需要從國外購買，但是在實(shí)際應(yīng)用的過程中，很多模型建立的不夠合理，相關(guān)數(shù)值輸入不精確，影響了熱分析的結(jié)果。

三、影響熱分析軟件分析結(jié)果的因素

3.1建模情況

在電子設(shè)備熱分析中，熱分析軟件的應(yīng)用首先要建立一個模型，如PCB板的建模中，由于PCB板通常由銅和絕緣體加壓、熱制成，銅主要起到導(dǎo)熱、導(dǎo)電的作用，現(xiàn)在使用FR4絕緣體傳導(dǎo)率為0.35，銅為388，由此可以看出，PCB板中銅的含量是影響其導(dǎo)熱的主要因素，而銅的分布比較復(fù)雜，尤其是多層的PCB板，有過孔、焊盤、銅線，很難建立詳細(xì)的模型。

因此熱分析軟件中，通常會把PCB板當(dāng)成各向異性的均一的傳導(dǎo)率材料，而傳導(dǎo)率的確定，往往依據(jù)工作人員的經(jīng)驗(yàn)，因此不同人員熱分析的結(jié)果可能會存在較大的差異，與真實(shí)的情況會存在一定的誤差。現(xiàn)在使用的熱管等傳導(dǎo)冷卻技術(shù)，其建模更加困難，需要使用軸向高傳導(dǎo)的桿進(jìn)行建模，但是軸向傳導(dǎo)率很難確定。

3.2導(dǎo)熱情況

根據(jù)導(dǎo)熱的傅立葉定律數(shù)學(xué)表達(dá)式可知，熱傳導(dǎo)情況由電子元器件材料的傳導(dǎo)率確定，如果是簡單的材料，利用材料手冊能夠查到其傳導(dǎo)率，但是現(xiàn)在使用的復(fù)合材料，其傳導(dǎo)率很難確定，如塑料等，不同塑料之間的熱傳導(dǎo)率有很大的差異，加上手冊中的數(shù)值都是在實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境中測得的，與實(shí)際環(huán)境中的數(shù)值會有一定的差異。

因此很多工程材料，由于缺乏精確的傳導(dǎo)率，使用帶有誤差的傳導(dǎo)率進(jìn)行計(jì)算的現(xiàn)象非常普遍，這是導(dǎo)致熱分析結(jié)果不準(zhǔn)確的重要因素。

3.3對流情況

對流換熱是復(fù)雜的過程，會受到電子元器件的表面和流體的物性等因素影響，如flotherm熱分析軟件對風(fēng)扇進(jìn)行建模時，會從軟件自身帶有的器件庫中選擇風(fēng)扇，然后輸入相應(yīng)的空氣體積流速-壓力曲線，雖然建模比較簡單、快速，但是顯然無法真實(shí)的反應(yīng)出風(fēng)扇帶來的氣流壓降和湍流情況。

在空氣通過管道和出風(fēng)口時，會有空氣阻尼作用，導(dǎo)致氣壓和風(fēng)速的降低，該系數(shù)可以進(jìn)行測量，隨著速度的變化而不同，但是在速度較低時，很多設(shè)計(jì)人員會將其當(dāng)作常數(shù)，甚至在速度較高時，有些設(shè)計(jì)人員也會將其作為常數(shù)，這樣的處理也會產(chǎn)生誤差。

四、熱分析軟件Icepak的應(yīng)用

Icepak是專業(yè)的熱分析軟件，在電子設(shè)備熱分析中應(yīng)用非常廣泛，軟件內(nèi)置了很多物理模型，對熱傳導(dǎo)、對流、層流等流動現(xiàn)象進(jìn)行模擬仿真，符合現(xiàn)代電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)的需要，如某元器件的總功率為800瓦，在室溫環(huán)境中最高容許溫度為108攝氏度，該元器件的功率較大，要想在實(shí)際中對其溫度進(jìn)行測試，顯然需要消耗較大的電量，而且需要很長的時間，加上樣品制作需要一定的成本，如果利用Icepak軟件進(jìn)行分析，顯然可以很好的解決這些問題，快速的確定溫度分布情況。

Icepak熱分析軟件的應(yīng)用，首先需要設(shè)定初始參數(shù)建立模型，確定模型后要設(shè)置收斂標(biāo)準(zhǔn)和迭代步數(shù)，由于該軟件在傳熱和流動問題求解中，主要采用能量守恒、動量守恒和質(zhì)量守恒三個控制方程，只要有1個方程不收斂，就要對建立好的模型進(jìn)行檢驗(yàn)，然后重新進(jìn)行驗(yàn)證，直到迭代收斂為止。

如果經(jīng)過軟件分析發(fā)現(xiàn)某處的溫度超過了設(shè)計(jì)的容許溫度，就要采取加裝散熱片、風(fēng)機(jī)等措施，然后再次利用軟件進(jìn)行分析，直到元器件的溫度低于設(shè)計(jì)的最高容許溫度為止。散熱片的安裝時，為了追求電子設(shè)備的性能和成本最優(yōu)，必須確定散熱片的肋間距、底板和肋片厚度最佳，在熱分析軟件中反復(fù)的對比結(jié)果，由于Icepak軟件有參數(shù)式分析功能，這個trials功能能夠快速的將散熱片最優(yōu)。

五、結(jié)語

電子設(shè)備的熱分析技術(shù)，利用熱分析軟件能夠模擬電子元器件的溫度分布情況，對電子設(shè)備的溫度進(jìn)行控制，保障電子元器件的性能的壽命最優(yōu)，與傳統(tǒng)的制作實(shí)物等熱分析相比，能夠極大的縮短研發(fā)時間。

目前市面上的熱分析軟件有很多，由于都是國外的軟件，我國技術(shù)人與使用的過程中，受到各種因素的影響，分析結(jié)果容易存在較大的誤差，必須重視建模、導(dǎo)熱、對流等因素，盡量減少軟件分析結(jié)果和實(shí)際情況之間的誤差，保障電子設(shè)備的設(shè)計(jì)一次成功。

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