电子设备热设计技术

2023-06-05

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将电子设备产生的热量散发出去是热设计的主要目的，其目标是控制电子设备内部所有元器件的温度，使其在给定的环境条件下不超过规定的最高允许温度。高密度组装电子设备热流密度较高，工作条件较差；由于受到元器件选择范围、成本等因素的影响，越来越多的工业器件被应用到恶劣环境中；受应用环境的限制，热控系统也应尽可能简单可靠。

电子设备热设计技术

电子设备热设计技术主要包括：热分析、热设计及热测试三大技术。科学合理地应用这三大技术，可以极大地缩短电子产品的研发周期，提高产品研发设计的经济性，保证电子产品的综合性能。

热分析、热设计及热测试技术是提高电子产品可靠性必不可少的方法对电子设备应该从元件、电路板及环境三个层次进行热分析、热设计及热测试。随着传热学、热能工程、流体力学、计算机等学科进一步的发展以及新仪表、新材料的出现电子设备的热分析、热设计及热测试技术必定会取得更大的成果。目前国内外还没有热分析、热设计及热测试技术集成为一体的计算机辅助系统。

热模拟

电子设备热分析，又称为热模拟，是利用数学的手段在电子设备的概念设计阶段获得温度分布的方法，它可以使电子设备设计人员和可靠性设计人员在设计阶段就能发现产品的热缺陷，从而改变其设计。

近年来，随着计算流体力学（CFD）方法的不断完善和计算机速度的不断提高，仿真软件已经成为电子工程师进行系统级热分析的首选工具。目前可使用专业热分析软件来进行热仿真分析，它具有专业的流体动力学的求解器，能够分析各种流体状态，同时，还提供电子设备热分析中常见的所有组件，使得电子设备热分析的建模趋于简单。然后设置求解残留和迭代次数。一般情况下，只要在迭代过程中发现连续性方程、动量方程及能量方程中有一个方程发散，就需要终止迭代，然后重新检查模型及网格划分，同时调整松弛因子，直至迭代收敛。迭代收敛后，要想察看具体的温度分布以及气流分布等，就需要进行后处理。进而调整电子设备的结构以改善其散热性能。

然而，这些仿真工具由于其自身能力的局限性并不能非常精确地预测复杂电子设备得到热特性。最优的做法是，应该充分了解这些软件的局限性并结合相关的实验测试进行使用。考虑到软件的准确性问题，对电子设备的热分析来说，软件最好在预测趋势，衡量不同热设计之间的相对优势和探索优化方法上做一些研究。通过热测试得到相关的实验数据，进而就可以检验软件在热分析汇总的准确性。

热技术的三个层次

对电子设备系统来说，要保证芯片、印制板及整个系统均能可靠地工作。按电子设备结构层次（芯片级、印制板级、系统级）的不同，相应地也提出电子设备热设计、热分析和热测试的三个层次，即芯片级的热设计、热分析和热测试，印制板级的热设计、热分析、热测试，环境级的热设计、热分析和热测试。芯片级的热设计、热分析和热测试主要研究芯片内部结构及其封装形式对传热的影响，计算及分析芯片的温度分布，对材料结构进行热设计，降低热阻增加传热途径，提高传热效果，达到降低温度的目的。

电路板级的热设计、热分析和热测试主要研究电路板的结构元器件布局对元件温度的影响以及电子设备电路板的温度分布，计算出电子元器件的结点温度，进行可靠性预计，其热设计则是对电路板结构及其元器件进行合理安排，在电路板及其所在箱体内采用温度控制措施，达到降温的目的。环境级的热设计、热分析和热测试主要研究电子设备所处的环境温度的影响，环境温度是电路板级热分析的重要边界条件，其热设计是采取必要的控制温度措施使电子设备在适宜的环境温度下工作。

鉴于热设计、热分析和热测试技术对电子设备的芯片、印制板及整个系统都非常关键，应从这三方面入手，对热控方案进行调整、筛选及优化，进而完成设备的结构设计，提高产品可靠性、延长设备工作寿命。