電子設備熱仿真及熱測試技術研究

盧錫銘

（江蘇自動化研究所，連云港222006）

0 引 言

隨著電子設備不斷向小型化、多功能化和高性能化方向發(fā)展，電子設備內器件的功耗和熱流密度不斷增加，電子設備過熱問題越來越突出，如果不能有效進行散熱設計，將直接影響系統(tǒng)可靠性和工作壽命。國外統(tǒng)計資料表明，電子元器件溫度每升高2℃，可靠性下降10%，溫升50℃時的壽命只有溫升25℃時的1／6，高溫因素會大大增加電子產品的故障率，熱設計一直是電子設備設計的關鍵技術之一。

傳統(tǒng)熱設計方法中設計師依靠以往經驗設計樣機，通過樣機的各種試驗和測試發(fā)現設計問題和缺陷，然后進一步優(yōu)化改進，往往需多次反復才能基本定型，已難以滿足現代電子設備周期短、難度高的研制要求。本文以某一電子設備的研制過程為例，說明了熱仿真技術對提高產品可靠性的優(yōu)勢，通過實際產品的熱測試結果，分析了熱仿真結果與熱測試結果誤差產生的原因，闡述了熱仿真和熱測試的互補性。

1 電子設備熱仿真與可靠性

電子設備種類繁多，使用環(huán)境復雜，尤其在國防領域使用的抗惡劣環(huán)境電子設備，不但需要防鹽霧、防潮濕、抗振動，還要體積小、重量輕、散熱性能良好，為此抗惡劣環(huán)境電子設備通常采用全封閉結構，電子設備內器件過熱問題相對工業(yè)領域應用的電子設備更加突出。

解決電子設備過熱問題以提高產品可靠性的相關技術稱為電子設備散熱技術，包括熱設計、熱仿真及熱測試，是發(fā)現、解決電子設備熱缺陷、提高電子設備可靠性不可缺少的技術手段。熱設計、熱仿真及熱測試技術的集成以及在電子產品開發(fā)中的并行應用，可以極大地縮短產品開發(fā)周期，提高產品的可靠性，保證電子產品的綜合性能［1］。

熱仿真技術是電子設備散熱技術的重要環(huán)節(jié)，可以在方案階段對熱設計方案可行性、有效性進行全面分析［2］，提高產品可靠性和一次設計成功率。

2 熱仿真優(yōu)勢和實際應用

以計算流體動力學（CFD）為核心的熱仿真軟件、計算機輔助工程（CAE）方法使得設計師能夠運用虛擬仿真技術構造虛擬樣機，優(yōu)化電子設備的熱設計，借助于熱仿真軟件強大的后處理能力，幫助設計師較為準確地預測散熱系統(tǒng)的效果，找到影響系統(tǒng)散熱能力的關鍵點，并可快速對優(yōu)化措施的效果進行模擬，對影響系統(tǒng)散熱效果的多種因素及影響程度進行定量的綜合分析，為選擇費效比最優(yōu)的散熱措施提供依據，減少設計、生產、再設計和再生產的費用，縮短高性能電子設備的研制周期［3］。因此，在設計階段對產品熱設計進行熱仿真已經成為設計過程中必不可少的一個環(huán)節(jié)。

2.1 電子設備熱仿真實例

某密閉電子設備的模型整機樣圖如圖1所示，忽略內部發(fā)熱量較小的器件后主要功率器件的熱設計功率（TDP）值如表1所示。

圖1 電子設備整機樣圖

表1 關鍵器件TDP值

Icepak是一個專業(yè)的電子設備熱仿真軟件，能夠解決系統(tǒng)級、部件級、封裝級的熱仿真問題［4］。經簡化后某密閉電子設備的熱仿真模型如圖2所示，利用Icepak軟件經設定初始參數、網格劃分、問題求解和結果顯示過程，在環(huán)境溫度55℃時初始虛擬樣機溫度云圖如圖3所示。

圖2 電子設備熱仿真模型

圖3 初始虛擬樣機的溫度云圖

由3圖可看出，初始散熱方案中虛擬樣機CPU最高核心溫度為104.2℃，超過了器件可靠性工作上限溫度95℃，其它器件的溫度均不超過85℃，能滿足設計要求。由此需對初始方案進行熱設計優(yōu)化，提高散熱效率，降低關鍵器件溫度。

2.2 虛擬樣機優(yōu)化

平板熱管是一種新型高效、依靠自身內部工作液體相變換熱的傳熱元件，具有等溫性好、可靠性高、導熱系數高等特性，還有“綠色”、無噪聲、結構簡單、環(huán)境適用性強等特點，已在地面電子設備、航空電子設備、人造衛(wèi)星等多種環(huán)境下成功使用［5］。利用平板熱管能有效對集中熱源進行均溫化，減小溫度梯度，是目前很多緊湊型電子設備散熱時常采用的思路與方法。

為進一步提高以上密閉電子設備的散熱效果，降低功率器件至最終熱沉的等效熱阻，采用在CPU與左右壁板間增加平板熱管的熱設計優(yōu)化方法。為簡化分析，將平板等效為高熱導率的導熱板［6］，利用Icepak軟件進行熱仿真得到改進模型的溫度云圖如圖4所示。

圖4 優(yōu)化虛擬樣機溫度云圖

由圖4可看出，通過采用在初始虛擬樣機基礎上增加高導熱系數的平板熱管優(yōu)化措施，CPU最高核心溫度從100.8℃降低到94.6℃，達到了均溫化效果，較好地解決了CPU器件溫度過高的問題。

3 熱測試裝置及測試驗證

對電子設備進行熱測量的方法主要分為接觸式和非接觸式2種。

接觸式測溫法具有精確、可靠、直觀等特點，對封閉在腔體內的各種組件、器件的溫度測量和大空間、遠距離、多點的溫度測量大都采用這種方法。但這種方法在多點的溫度測量中，傳感器安放繁瑣復雜、工作量大、檢測效率低。

非接觸式測量法主要是紅外測溫法，但由于被測物體的黑度受材料本身的性質、表面狀態(tài)、溫度等多種條件的影響，不易確定，因而影響其測量精度；同時，只能測量相對測量儀表面的溫度，所以其使用場合受到測量空間的限制。

按優(yōu)化方案完成以上電子設備設計、加工、組裝后，在環(huán)境溫度55℃時，順利通過了高溫環(huán)境試驗的相關條目和120h可靠性考核，達到了系統(tǒng)熱控制要求。使用美國Degree Control公司熱測試系統(tǒng)ATM 2400和AccuSenseUTS1000型接觸式熱電偶傳感器，電子設備主要器件表面溫度如表2所示。

表2 關鍵器件熱仿真溫度與測試結果比較

由表2可知，虛擬樣機熱仿真結果和實際測量值較接近，最大誤差為5.8%，滿足工程設計要求。

4 熱仿真誤差分析

4.1 模型簡化誤差

對電子設備進行熱仿真時，需要使用特定類型的部件模擬電子設備實際結構，為減少建立虛擬樣機的時間和模型規(guī)模，進行了相應的簡化，虛擬樣機結構與電子設備結構存在一定誤差。

4.2 邊界條件誤差

熱源在熱仿真中具有重要的作用，但在虛擬樣機熱仿真分析中，熱源實際功耗較難準確確定，一般采用發(fā)熱器件熱設計功率值，虛擬樣機熱源設定功耗與電子設備熱源功耗存在一定誤差。

在對電子設備進行熱仿真時，設計人員將設定邊界條件、求解域等，這些都是對電子設備實際情況進行的模擬，虛擬樣機邊界條件與電子設備邊界條件存在一定誤差。

4.3 網格誤差

虛擬樣機熱仿真結果的精確度和可靠度不僅與模型建立方法、經驗有關，而且與網格質量密切相關。虛擬樣機的網格是對電子設備模型、邊界條件的數值模擬，網格與電子設備模型、邊界條件存在一定誤差。

4.4 傳感器安裝誤差

電子設備熱測試中，接觸式熱電偶傳感器測試點安裝位置與虛擬樣機熱仿真結果取值位置存在誤差。雖然目前商用熱仿真軟件均能在方案階段比較真實地模擬系統(tǒng)的熱狀況，對產品熱設計方案的可行性進行評估，但由于流體理論研究的局限性和仿真模型的復雜性，即使模型精確、工程師經驗豐富，測試結果和熱仿真結果依然可能存在較大誤差。為了達到較好的效果，電子設備熱仿真一定要與實驗測試相結合、相互補充。

5 結束語

高熱流密度的熱控技術是電子設備的難點和關鍵技術，本文通過對某一抗惡劣環(huán)境電子設備的研制，闡述了熱仿真技術對提高電子設備可靠性的重要性，并對熱仿真和熱測試的結果進行了定量對比，分析了熱仿真誤差產生的原因。

［1］呂永超，楊雙根.電子設備熱仿真、熱設計及熱測試技術綜述及最新進展［J］.電子機械工程，2007，23（1）：5－6.

［2］平麗浩.雷達熱控技術現狀及發(fā)展方向［J］.現代雷達，2009，31（5）：1－6.

［3］王建峰.固態(tài)有源相控陣雷達熱控制技術［J］.電子機械工程，2007，23（6）：27－32.

［4］李琴，朱敏波，劉海東.電子設備熱仿真技術及軟件應用［J］.計算機輔助工程，2005，14（2）：51－52.

［5］陳平，張一軍，朱鐳.熱管在典型密封電子設備熱設計中的應用［J］.航空計算技術，40（4）：83.

［6］陳金建，汪雙鳳.平板熱管散熱技術研究進展［J］.化工進展，2009，28（12）：2106.