楊 青

(上海電氣集團(tuán)中央研究院）

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電子設(shè)備的熱可靠性平臺(tái)設(shè)計(jì)

楊 青

(上海電氣集團(tuán)中央研究院）

摘要：本文是針對(duì)于電子設(shè)備的熱屬性測(cè)試和熱設(shè)計(jì)優(yōu)化建立一個(gè)可靠性應(yīng)用研發(fā)平臺(tái)。平臺(tái)分為熱測(cè)試和熱設(shè)計(jì)兩個(gè)模塊，熱測(cè)試半導(dǎo)體器件的熱學(xué)屬性的精確測(cè)量和外圍散熱設(shè)備的選型和驗(yàn)證，并結(jié)合熱設(shè)計(jì)部分，保證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，并可進(jìn)行結(jié)構(gòu)和選型的優(yōu)化，平臺(tái)囊括電力電子產(chǎn)品化過程中熱可靠性設(shè)計(jì)的所有環(huán)節(jié)。

關(guān)鍵詞：電子設(shè)備；可靠性；熱屬性；熱設(shè)計(jì)

0　引言

美國(guó)空軍的對(duì)電子產(chǎn)品質(zhì)量的研究，發(fā)現(xiàn)電子產(chǎn)品的失效55%是由熱設(shè)計(jì)不當(dāng)引起的。而電子產(chǎn)品的結(jié)溫與可靠性的關(guān)系是一個(gè)指數(shù)型上升曲線。一般而言，對(duì)于一個(gè)設(shè)備，其中的電子元件的溫度每升高10℃，系統(tǒng)的可靠性就會(huì)降低為原來的一半。電子設(shè)備的散熱狀況決定了電子系統(tǒng)的整體性能，過度載熱嚴(yán)重影響電子設(shè)備的壽命及可靠性，因此合理的電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，包括各生熱元件的布局、散熱元件的位置等，對(duì)保證系統(tǒng)散熱效果、提高設(shè)備壽命，保證設(shè)備可靠性至關(guān)重要。

隨著設(shè)備的小型化，電子元件的集成程度不斷提高，一方面小型化、微型化與高速度、高性能的矛盾要求設(shè)計(jì)時(shí)既要考慮客戶的體驗(yàn)和體積的大小，又要兼顧高速度、高性能必然帶來的發(fā)熱量大的問題；另一方面，電子器件和設(shè)備越來越高的性能導(dǎo)致的功耗越來越大，這與當(dāng)前環(huán)保、節(jié)能的大趨勢(shì)又有矛盾。當(dāng)前，新型的電子元件及散熱技術(shù)不斷涌出。為降低熱分析的難度及提高熱分析的速度，就要求熱分析軟件有非常大的模型庫并最好能及時(shí)更新。滿足這個(gè)特征的模型庫才能保證對(duì)于電子系統(tǒng)快速建模，進(jìn)行熱分析。

對(duì)電子系統(tǒng)進(jìn)行熱分析的最終目的是為了實(shí)現(xiàn)設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計(jì)，電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可變量很多，以風(fēng)扇為例，風(fēng)扇的大小，位置，個(gè)數(shù)等都是可變的，不同的設(shè)計(jì)會(huì)有不同的散熱效果，如何迅速評(píng)估這些大量設(shè)計(jì)變量，找出最佳設(shè)計(jì)對(duì)熱分析師提出了很大的挑戰(zhàn)，因此要求熱分析軟件要有先進(jìn)的優(yōu)化功能。

1　平臺(tái)結(jié)構(gòu)和功能介紹

本文是針對(duì)于電子設(shè)備的熱屬性測(cè)試和熱設(shè)計(jì)優(yōu)化建立一個(gè)可靠性應(yīng)用研發(fā)平臺(tái)。熱屬性測(cè)試功能體現(xiàn)在：此平臺(tái)可以專業(yè)的測(cè)量半導(dǎo)體器件的熱學(xué)屬性，并結(jié)合熱設(shè)計(jì)優(yōu)化功能，使得計(jì)算結(jié)果非常精準(zhǔn)，也可以形成自己的半導(dǎo)體器件熱屬性庫，為后續(xù)的研發(fā)工作打好基礎(chǔ)，同時(shí)可進(jìn)行電子器件的功率循環(huán)測(cè)試，得出產(chǎn)品質(zhì)量缺陷。熱設(shè)計(jì)優(yōu)化功能體現(xiàn)在：在任何實(shí)體樣機(jī)建立之前，工程師就可以在設(shè)計(jì)流程初期快速并簡(jiǎn)易地創(chuàng)建虛擬模型，得出快速準(zhǔn)確的模擬結(jié)果，進(jìn)行熱場(chǎng)的分析，并且利用優(yōu)化設(shè)計(jì)功能，使得產(chǎn)品工程師比較不同的熱設(shè)計(jì)方案，快速的找到最佳設(shè)計(jì)方案。

圖1　平臺(tái)結(jié)構(gòu)

熱測(cè)試模塊：是整個(gè)平臺(tái)的基礎(chǔ)，是熱可靠性仿真和熱優(yōu)化設(shè)計(jì)準(zhǔn)確性的保證。（1）對(duì)器件內(nèi)部熱屬性的精確測(cè)量：準(zhǔn)確測(cè)量出實(shí)際熱屬性，大幅度降低產(chǎn)品設(shè)計(jì)冗余，降低產(chǎn)品成本，減輕散熱路徑第二層的負(fù)擔(dān)。將每個(gè)器件的測(cè)試數(shù)據(jù)組合起來就形成了一個(gè)巨大的器件熱模型庫；（2）外圍散熱設(shè)備的選型和驗(yàn)證：指導(dǎo)工程師對(duì)器件進(jìn)行選型，包括功率模塊、散熱器、硅脂、風(fēng)扇等。只要是熱流路徑上的一環(huán)，比較結(jié)果便可以得出哪個(gè)產(chǎn)品更適合；引進(jìn)T3ster熱可靠性設(shè)備，誤差達(dá)0.01℃，具有1微秒采樣分辨率，直接得出真實(shí)的熱屬性，并和熱設(shè)計(jì)軟件直接進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)接。

熱仿真優(yōu)化模塊：熱仿真模塊提供整個(gè)流場(chǎng)的溫度、壓力、速度分布是實(shí)現(xiàn)平臺(tái)功能的關(guān)鍵一步，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化和產(chǎn)品降本，是平臺(tái)建設(shè)的最終目的；FloTHERM 是一款強(qiáng)大的應(yīng)用于電子元器件以及系統(tǒng)熱設(shè)計(jì)的三維仿真軟件。在任何實(shí)體樣機(jī)建立之前，工程師就可以在設(shè)計(jì)流程初期快速并簡(jiǎn)易地創(chuàng)建虛擬模型，運(yùn)行熱分析以及測(cè)試設(shè)計(jì)更改。FloTHERM 采用先進(jìn)的CFD (計(jì)算流體力學(xué)) 技術(shù)，預(yù)測(cè)元器件、PCB 板以及整機(jī)系統(tǒng)的氣流、溫度以及傳熱。

2　結(jié)果分析

如下圖所示，將我們使用的硅脂和不使用硅脂進(jìn)行比較，測(cè)得不同情況下，元器件的內(nèi)部熱阻和熱容結(jié)構(gòu)，可以看出由于元器件內(nèi)部的結(jié)構(gòu)是一樣的，只是由于硅脂的原因外部的熱流路徑變化，所以得出藍(lán)線和紅線的分叉點(diǎn)處即是器件的外殼。分別測(cè)試器件的熱屬性，并導(dǎo)入仿真軟件內(nèi)，進(jìn)行熱分析優(yōu)化。

圖3　測(cè)試器件結(jié)殼熱阻

測(cè)試器件的熱阻熱容結(jié)構(gòu)，并直接導(dǎo)入FLOTHERM仿真軟件，得到精確的內(nèi)部溫度場(chǎng)，如下圖所示：

圖4　設(shè)備內(nèi)部溫度場(chǎng)模擬

3　結(jié)論

經(jīng)過測(cè)試設(shè)備的精確測(cè)量，得到器件的熱屬性，繼而進(jìn)行仿真優(yōu)化，大大提高了仿真結(jié)果的精確性和可信性，為電子設(shè)備進(jìn)一步的結(jié)果優(yōu)化和降本提供了有力的保證。

圖2　測(cè)試設(shè)備和原理

Design of thermal reliability platform for electronic equipment

Yang Qing
(Central Research Institute of Shanghai Electric Group)

Abstract：This paper is aimed at the thermal property testing and thermal design optimization of electronic equipment to establish a reliable application research and development platform.Selection and validation of the platform is divided into two modules,thermal test and thermal design,thermal test semiconductor device thermal properties of accurate measurement and peripheral cooling equipment,combined with thermal design,ensure the accuracy of the simulation results,and can carry on the optimization of structure and selection,the platform include thermal reliability design in the course of power electronic products in all aspects.

Keywords：electronic equipment;reliability;thermal property;thermal design