電子設備熱分析技術研究

李 誠

（中國電子科技集團公司第三十四研究所，廣西 桂林541004）

過熱損害已經成為困擾電子設備發(fā)展和應用的一個典型性問題。加強對電子設備熱分析技術的研究能夠實現(xiàn)對設備的有效熱控制，從而保障其使用性能和壽命，尤其是對于較為昂貴的電子設備來說，更是極為必要。熱分析也被稱為熱模擬，通過數(shù)學手段在電子設備設計初期發(fā)現(xiàn)其熱缺陷，并配合熱測量建立模型對其進行改進，在縮短產品開發(fā)周期的同時改善設計應用性能，為其熱控制提供有效保障。下面結合熱測量對電子設備的熱分析技術進行探討。

1 熱分析技術研究方法

1.1 熱分析研究方法

熱分析技術的理論基礎是流體力學（含能量守恒三定律）和傳熱學（熱輻射、對流和熱傳導）。熱分析技術以這些理論為基礎，通過數(shù)學手段（微積分方程）對熱能量分布情況進行求解，結合求解方程的不同來完成電子設備的熱分析，從而在設計和應用中不斷加以改進完善［1］。目前，對電子設備進行熱分析主要采用解析法和數(shù)值法兩種方式。解析法是通過建立積分或微分方程來完成對諸如電路板和電子元件等的傳熱情況分析，以數(shù)學解析的方法表達熱量分布情況。不過由于解析法的傳熱方程多使用高階偏微分方程式，所以解析難度較高，缺乏有效的簡化方法。而且此類方程對于復雜邊界條件下和復雜幾何形狀下的溫度分布求解適用性低，無法滿足電子設備熱分析中的各類復雜情況，只能用于一些較為簡單的熱分布問題，不過在定性分析影響熱分布的各類因素中有著一定應用優(yōu)勢。數(shù)值法是當前電子設備熱分析中應用的主要方法。這種方法以數(shù)值計算和離散數(shù)學理論為基礎，通過使用計算工具來完成求解，在能量守恒三定律的指導下建立微積分方程并進行離散化，從而將復雜的涉及各類物體內溫度隨時間變化和連續(xù)分布情況，轉化為簡單的在不同時間和空間領域內有限離散點上的溫度計算問題。雖然計算量很大，不過由于將問題簡單化，所以只需要依靠計算機就能夠完成龐大的計算量，因而實用性和適應性都較強［2］。可以說，正是計算機的發(fā)明和應用使得數(shù)值法的應用范圍得到拓展，性能得到提升。截止到目前，數(shù)值法已經成為了熱分析技術中研究溫度分布的最常用方法，它能夠對影響電子設備熱分布的各類因素（如周圍環(huán)境條件、分布狀態(tài)、設備參數(shù)、材料系數(shù)）進行計算模擬，從而完成電子設備的熱分析設計與完善［3］。

1.2 數(shù)值法解題思路和步驟

數(shù)值法解決熱分析問題主要采用有限體積法。這種方法的解題思路主要分為四個階段，以電子設備溫度場的分布求解分析，首先采用網格劃分技術將求解區(qū)域離散為多個微元體，然后在能量守恒三定律的指導下分別建立適用于各個微元體的積分方程，再將這些方程根據(jù)空間和時間情況進行離散，最終通過計算求解得到電子設備的溫度場分布情況。

針對電子設備熱分析的數(shù)值法求解過程并不簡單，其中涉及多個步驟，包括建模、輸入參數(shù)、劃分網格和后處理等。根據(jù)需要對進行熱分析的電子設備先建立相關的熱分析模型，然后輸入所需要參數(shù)（比如材料參數(shù)、器件功耗、環(huán)境溫度和發(fā)射率等），對這些參數(shù)進行劃分網格和計算，其中計算的精度與網格劃分的多少呈正比例關系。最后對這些計算結果進行處理，根據(jù)熱分析結果要求以動畫、圖表或者報告的形式完成溫度場分布情況的描述，從中選擇所需要的有效信息指導設計［4］。在這個熱分析的過程中，建模和輸入參數(shù)是關鍵也是工作量最大的環(huán)節(jié)，只有保證建模正確和輸入參數(shù)的精準性才能夠展開后續(xù)分析研究和計算，所以必須根據(jù)所要分析的對象建立良好的熱分析模型，并獲得精準的邊界條件。在實際應用中，各類電子設備的結構和性能參數(shù)的復雜性決定了在邊界條件輸入階段可能會存在誤差，所以必須確保參數(shù)準確以完成精準建模過程，可利用多種手段和途徑減少誤差［5］。

2 熱分析的運用研究

選擇當前適用范圍最廣和應用頻率最高的熱分析軟件CEPAK為例進行工程運用分析研究。作為全球最知名的計算流體力學軟件提供商Fluent公司開發(fā)的專業(yè)化、面向工程師的電子產品熱分析軟件，CEPAK無疑十分優(yōu)秀，借助這款軟件的分析和優(yōu)化結果，電子設備的熱分析變得更加專業(yè)化、高效率，有助于設計的改善，提升產品設計成功率和可靠性。ICEPAK作為專業(yè)的熱分析軟件，可以解決各種不同尺度級別（環(huán)境級、設備級、板級、元件級）的散熱問題，能夠劃分出非結構化和非連續(xù)化網格并對各種實例進行建模分析［6］。

2.1 建模

建模和輸入參數(shù)是關鍵也是工作量最大的環(huán)節(jié)。模型建立的準確程度決定了誤差的大小。考慮到工程需求，準確建模勢在必行。根據(jù)建模的復雜程度、工作效率和各類細節(jié)等，想要保證達到分析目的，需遵循從重要到次要、從簡單到復雜的策略完成整體布局和細節(jié)調整，在此基礎上，逐步添加各類重要影響因素，在兼顧整體布局的情況下完善細節(jié)優(yōu)化調整，從而實現(xiàn)精確建模。下面對兩項最重要的建模技術——器件建模和PCB板建模進行分析。

設備級熱分析中使用金屬塊和熱源來模擬整個元件能夠減少計算量提升效率，但是誤差較大，實際應用中并不理想，所以通過簡化模型、優(yōu)化細節(jié)的方式來建模就很有必要。簡化模型的建立并非忽略精確性，而是要在保障各個器件參數(shù)準確性和幾何結構正確性的前提下完成建模，在保證精度的基礎上進行簡化。由于各類電子設備熱傳導通過金屬部分，所以尤其要注意金屬熱傳導率的精準性［7］。以IC封裝模塊（見圖1）為例，首先要在對器件的精確測量和分析的基礎之上，然后建立簡化IC熱分析模型如圖2。實驗表明IC器件熱分析簡化模型能得到較高的精確度。

圖1 IC器件

圖2 IC熱分析模型

設備級器件的建模中要考慮到PCB板的重要性。器件多數(shù)熱量都會通過PCB板完成發(fā)散，想要保障建模精準性，PCB板的建模也要慎重，這樣才能夠得到精確的熱分析結果。PCB板主要由絕緣材料和銅制作而成，這些材料的傳導率會直接影響導熱效果，所以分布上通常較為復雜，在建模時不可能做到絕對詳細。考慮到熱分析軟件的作用，可通過測算絕緣材料覆蓋度和厚度來完成模擬，不過由于測量計算過于繁瑣且存在估算誤差，所以準確度受到極大影響［8］。目前應用中，多數(shù)研究發(fā)現(xiàn)采用“Protel＋Excel”法可以精確迅速地計算出銅的覆蓋率，具體見圖3。使用Protel以表格形式得到銅線分布的寬度和坐標值，并配合使用Excel表格中的函數(shù)功能進行處理，最終可以得到較為精確的銅線面積，并根據(jù)PCB板面積得到最終銅覆蓋率。

圖3 銅覆蓋率計算法

2.2 邊界條件輸入

邊界條件輸入參數(shù)的準確性直接影響熱分析結果，諸如材料參數(shù)、器件功耗、環(huán)境溫度和發(fā)射率等都需要謹慎篩選，通過查閱相關手冊、實驗驗證或測量得到數(shù)據(jù)，不過熱功耗數(shù)據(jù)獲得難度較大，需要進行精確測量和仿真以得到最為真實的數(shù)據(jù)。測量方面可通過測量電流電壓來計算電功耗，數(shù)字電路中可近似認為其電源功率與熱功耗數(shù)據(jù)相近，不過考慮到實際應用中的各類影響因素，此法不可取。所以最好的方法還是借助電子設備進行測量，通過對樣機復雜電流情況下的功耗進行測量，一般主要以設備級和板級為主。假如在沒有樣機的情況下可通過仿真軟件Pspice進行模擬，其本身強大的解算功能（Fluent求解器、結構化與非結構化網格的求解器等）能夠實現(xiàn)任何操作系統(tǒng)下的網絡并行運算。

2.3 網格劃分

在熱分析實驗中，需要分析計算網格劃分對于結果的影響。邊界條件相同情況下，實驗分別采用30萬和60萬網格進行熱分析，二者的平均誤差分別為11.4%和7.5%，說明二者計算的精度與網格劃分的多少呈正比例關系，網格劃分多少在很大程度上影響著計算的精準度。不過網格劃分過多在提升精度的情況下會導致計算效率下降，所以需要在保障精度的前提下兼顧計算效率，保證熱分析的精確性和高效率，通過靈活運用網格劃分技術做到雙贏，比如在關鍵部位進行加密或者不規(guī)則處使用非結構化網絡等實現(xiàn)優(yōu)化。

2.4 應用實例

以Icepak軟件為例對某電子設備機箱進行熱分析，并將熱分析結果同實際測量值進行比較。

某電子設備中功率耗散比較大的主要模塊是3個功放模塊，總功耗＜113 W。按要求設備需限定在2U高的19英寸箱體內，可用尺寸應不大于：38×38×8 cm3（長×寬×高）。整機機箱上部為內空，占高3 cm，用于安裝各模塊，下部為主要散熱體，占高5 cm，其中導熱體占高2 cm，散熱齒占高3 cm，散熱齒寬5 mm，間隔5 mm，均勻排列，整機為自然散熱方式。

其原始模型的器件基本參數(shù)如下：機箱散熱體材料為鋁合金5A05；功放發(fā)熱功率為113 W，允許的極限溫度為65℃ 。模型的結構圖如圖4所示。根據(jù)以上各模塊耗散、預布局及散熱殼體參數(shù)，采用Ice－Pak4.0熱分析軟件，對整機連續(xù)工作時熱分布進行仿真分析，得到不同環(huán)境溫度條件下整機熱分布情況見圖5、圖6所示。熱分析結果同樣機實測溫度的比較結果具體見表1。熱仿真結果和實際溫度基本接近，誤差分別為6.69%、10.04%，基本能夠滿足工程設計要求。這些誤差的產生可能是由于邊界條件不夠精確和功耗參數(shù)存在誤差所導致，不影響電子設備的熱分析設計。

圖4 機箱模型結構圖

圖5 環(huán)境溫度20℃機箱殼體熱分布圖

圖6 環(huán)境溫度－40℃機箱殼體熱分布圖

表1 熱分析結果同實測溫度的比較

3 結 論

電子設備熱分析技術通過模擬設備內部溫度分布情況強化設備的熱控制，從而保障其使用性能和壽命，縮短研制周期。本文分析了如何提升精確度減少誤差的手段，從熱分析軟件的幾個環(huán)節(jié)入手進行了深入探究，為電子設備熱分析技術的應用提供了幫助，強化了熱控制。

［1］楊世銘.傳熱學基礎［M］.北京：高等教育出版社.1991.

［2］于慈遠.計算機輔助電子設備熱分析、熱設計及熱測量技術的研究（Vol.9）［R］.博士后研究工作報告，北京國家圖書館，2000.

［3］李曉明.裝備（產品）熱分析、綜合、熱測量前沿技術研究［D］.北京：北京航空航天大學，1998.

［4］汪繼文，劉儒勛.間斷解問題的有限體積法［J］.計算物理，2001，18（2）：97－105.

［5］陳潔茹，朱敏波，齊 穎.Icepak在電子設備熱設計中的應用［J］.電子機械工程，2005，21（1）：14－16.

［6］李 琴，朱敏波，劉海東.電子設備熱分析技術及軟件應用［J］.計算機輔助工程，2005，14（2）：50－52.

［7］方志強，付桂翠，高澤溪.電子設備熱分析軟件應用研究［J］.北京航空航天大學學報，2003，29（8）：737－740.