電子系統熱管理方案

電子設備的溫度越高。其可靠性和性能都會下降，這就是過熱現象。處理器、FPGA、LED照明、便攜式產品和電源部分容易產生過熱。例如市面上可以見到一些公司宣布筆記本電腦的電源部分因過熱而召回，就是因為溫度過高會導致其性能下降。

現在電子設備的功能越來越多，但體積卻越來越小，所以散發出的熱量必須要最快地被排走，否則就會導致過熱。因此從Ic(集成電路)封裝到PCB(印制板)以及整個電子系統，都要考慮過熱并采取合理的散熱方法。

市場上誕生了專業做設計、熱仿真和熱測試的EDAT具供應商，例如Mentot Graphics、Zuken等。近日，Mentor Graphics的三維計算流體力學FloTHERM軟件(CFD)，創新性地采用了散熱障礙(Bn)和散熱捷徑(sc)分析技術。Mentor系統設計部市場開發總監John Isaac稱，現在工程師可用一種非破壞的方式(即不需要把原來的樣品分割來看里面的熱特性)，就能明確IC、PCB或者整個系統的熱流阻礙在哪里，以及為什么會出現熱流故障，同時還能確定解決散熱設計問題最決最有效的散熱捷徑。

散熱障礙與散熱路徑分析

散熱主要有三個途徑：輻射、傳導、自然對流。

就像河流中形成一些堰塞湖(障礙)，或者蜿蜒的路一樣(路徑)，在電子設計中，一些熱量會淤積在某處，或過長的散熱路徑影響散熱效率。

散熱障礙

為了說明方便。一般把溫度從低到高用藍色、黃色、橙色到紅色代表。我們可做如圖1的實驗，左上圖的案例是一塊鐵板，把它降為0℃，然后再把它接上100W電源，這時會有熱量傳導過來，鐵板溫度改變，受電端達到90℃，但板子男一端還是0℃左右，因為這個板子導熱很快。左下宴驗在冷卻板一一鐵板的中間替換成塑料，因為塑料不導熱，在加熱的時候，由于受到了阻擋，鐵板通電處的溫度就升高到了130℃，可見材料的改變可能會改變你的散熱效果。右上圖所有的條件都與左上圖一樣，還是鐵，但中間變細了，當你通電以后，這塊板變細部分形成了瓶頸。

這個實驗說明，材料或結構的改變都會改變散熱性能。

Mentot的經驗公式是(圖1右下圖)：

Bn／Bn(max)=|熱通量| x |溫度梯度| x |角度余弦函數|

散熱捷徑

當你的熱流路徑要走很長時，路過的區域越多，散熱肯定更慢。

圖2還是圖1形狀一樣的板子，但是用不同的材料，加熱仍是100W，但上側換成了銅(銅是導熱最好的材料之一)，下面是塑料，用Mentor的FIoTHERM 9工具分析后，就會顯示某些地方高亮，就知道哪些地方散熱有問題，并考慮怎么能夠讓熱散得更塊一一因為塑料導熱性很差，因此把塑料換成銅后(圖2右圖)，熱量散得更快。

散熱案例

通過對PCB板側面觀察(如圖3)，發現一些芯片的溫度最高，可以找到讓它更快散熱的其他熱流路徑，方法就是因為這個地方原來是空氣，因為空氣傳導能力非常小，換成導熱襯墊(通常是金屬)(散熱捷徑法)或金屬擠壓品(解決散熱障礙法，圖4)，均增加了導熱性，結果可看出沒有紅色了。 實驗方法固然好，如果用軟件仿真更可節省設計時間。從熱分析工具中可以直觀看到散熱障礙在哪里，用散熱捷徑軟件提示我們哪里能夠進一步改進。例如焊點過熱，就需要改變焊接的方法等。

CamSemi公司是做電源管理方案的公司。該公司工程副總裁Nigel Heather稱他們在研發新一代手機充電器IC時由于采用FIoTHERM 9而節省了時間和成本。