电子设备热分析技术研究

2014-05-11李诚

通信电源技术 2014年2期

李诚

（中国电子科技集团公司第三十四研究所，广西桂林541004）

过热损害已经成为困扰电子设备发展和应用的一个典型性问题。加强对电子设备热分析技术的研究能够实现对设备的有效热控制，从而保障其使用性能和寿命，尤其是对于较为昂贵的电子设备来说，更是极为必要。热分析也被称为热模拟，通过数学手段在电子设备设计初期发现其热缺陷，并配合热测量建立模型对其进行改进，在缩短产品开发周期的同时改善设计应用性能，为其热控制提供有效保障。下面结合热测量对电子设备的热分析技术进行探讨。

1 热分析技术研究方法

1.1 热分析研究方法

热分析技术的理论基础是流体力学（含能量守恒三定律）和传热学（热辐射、对流和热传导）。热分析技术以这些理论为基础，通过数学手段（微积分方程）对热能量分布情况进行求解，结合求解方程的不同来完成电子设备的热分析，从而在设计和应用中不断加以改进完善［1］。目前，对电子设备进行热分析主要采用解析法和数值法两种方式。解析法是通过建立积分或微分方程来完成对诸如电路板和电子元件等的传热情况分析，以数学解析的方法表达热量分布情况。不过由于解析法的传热方程多使用高阶偏微分方程式，所以解析难度较高，缺乏有效的简化方法。而且此类方程对于复杂边界条件下和复杂几何形状下的温度分布求解适用性低，无法满足电子设备热分析中的各类复杂情况，只能用于一些较为简单的热分布问题，不过在定性分析影响热分布的各类因素中有着一定应用优势。数值法是当前电子设备热分析中应用的主要方法。这种方法以数值计算和离散数学理论为基础，通过使用计算工具来完成求解，在能量守恒三定律的指导下建立微积分方程并进行离散化，从而将复杂的涉及各类物体内温度随时间变化和连续分布情况，转化为简单的在不同时间和空间领域内有限离散点上的温度计算问题。虽然计算量很大，不过由于将问题简单化，所以只需要依靠计算机就能够完成庞大的计算量，因而实用性和适应性都较强［2］。可以说，正是计算机的发明和应用使得数值法的应用范围得到拓展，性能得到提升。截止到目前，数值法已经成为了热分析技术中研究温度分布的最常用方法，它能够对影响电子设备热分布的各类因素（如周围环境条件、分布状态、设备参数、材料系数）进行计算模拟，从而完成电子设备的热分析设计与完善［3］。

1.2 数值法解题思路和步骤

数值法解决热分析问题主要采用有限体积法。这种方法的解题思路主要分为四个阶段，以电子设备温度场的分布求解分析，首先采用网格划分技术将求解区域离散为多个微元体，然后在能量守恒三定律的指导下分别建立适用于各个微元体的积分方程，再将这些方程根据空间和时间情况进行离散，最终通过计算求解得到电子设备的温度场分布情况。

针对电子设备热分析的数值法求解过程并不简单，其中涉及多个步骤，包括建模、输入参数、划分网格和后处理等。根据需要对进行热分析的电子设备先建立相关的热分析模型，然后输入所需要参数（比如材料参数、器件功耗、环境温度和发射率等），对这些参数进行划分网格和计算，其中计算的精度与网格划分的多少呈正比例关系。最后对这些计算结果进行处理，根据热分析结果要求以动画、图表或者报告的形式完成温度场分布情况的描述，从中选择所需要的有效信息指导设计［4］。在这个热分析的过程中，建模和输入参数是关键也是工作量最大的环节，只有保证建模正确和输入参数的精准性才能够展开后续分析研究和计算，所以必须根据所要分析的对象建立良好的热分析模型，并获得精准的边界条件。在实际应用中，各类电子设备的结构和性能参数的复杂性决定了在边界条件输入阶段可能会存在误差，所以必须确保参数准确以完成精准建模过程，可利用多种手段和途径减少误差［5］。

2 热分析的运用研究

选择当前适用范围最广和应用频率最高的热分析软件CEPAK为例进行工程运用分析研究。作为全球最知名的计算流体力学软件提供商Fluent公司开发的专业化、面向工程师的电子产品热分析软件，CEPAK无疑十分优秀，借助这款软件的分析和优化结果，电子设备的热分析变得更加专业化、高效率，有助于设计的改善，提升产品设计成功率和可靠性。ICEPAK作为专业的热分析软件，可以解决各种不同尺度级别（环境级、设备级、板级、元件级）的散热问题，能够划分出非结构化和非连续化网格并对各种实例进行建模分析［6］。

2.1 建模

建模和输入参数是关键也是工作量最大的环节。模型建立的准确程度决定了误差的大小。考虑到工程需求，准确建模势在必行。根据建模的复杂程度、工作效率和各类细节等，想要保证达到分析目的，需遵循从重要到次要、从简单到复杂的策略完成整体布局和细节调整，在此基础上，逐步添加各类重要影响因素，在兼顾整体布局的情况下完善细节优化调整，从而实现精确建模。下面对两项最重要的建模技术——器件建模和PCB板建模进行分析。

设备级热分析中使用金属块和热源来模拟整个元件能够减少计算量提升效率，但是误差较大，实际应用中并不理想，所以通过简化模型、优化细节的方式来建模就很有必要。简化模型的建立并非忽略精确性，而是要在保障各个器件参数准确性和几何结构正确性的前提下完成建模，在保证精度的基础上进行简化。由于各类电子设备热传导通过金属部分，所以尤其要注意金属热传导率的精准性［7］。以IC封装模块（见图1）为例，首先要在对器件的精确测量和分析的基础之上，然后建立简化IC热分析模型如图2。实验表明IC器件热分析简化模型能得到较高的精确度。

图1 IC器件

图2 IC热分析模型

设备级器件的建模中要考虑到PCB板的重要性。器件多数热量都会通过PCB板完成发散，想要保障建模精准性，PCB板的建模也要慎重，这样才能够得到精确的热分析结果。PCB板主要由绝缘材料和铜制作而成，这些材料的传导率会直接影响导热效果，所以分布上通常较为复杂，在建模时不可能做到绝对详细。考虑到热分析软件的作用，可通过测算绝缘材料覆盖度和厚度来完成模拟，不过由于测量计算过于繁琐且存在估算误差，所以准确度受到极大影响［8］。目前应用中，多数研究发现采用“Protel＋Excel”法可以精确迅速地计算出铜的覆盖率，具体见图3。使用Protel以表格形式得到铜线分布的宽度和坐标值，并配合使用Excel表格中的函数功能进行处理，最终可以得到较为精确的铜线面积，并根据PCB板面积得到最终铜覆盖率。

图3 铜覆盖率计算法

2.2 边界条件输入

边界条件输入参数的准确性直接影响热分析结果，诸如材料参数、器件功耗、环境温度和发射率等都需要谨慎筛选，通过查阅相关手册、实验验证或测量得到数据，不过热功耗数据获得难度较大，需要进行精确测量和仿真以得到最为真实的数据。测量方面可通过测量电流电压来计算电功耗，数字电路中可近似认为其电源功率与热功耗数据相近，不过考虑到实际应用中的各类影响因素，此法不可取。所以最好的方法还是借助电子设备进行测量，通过对样机复杂电流情况下的功耗进行测量，一般主要以设备级和板级为主。假如在没有样机的情况下可通过仿真软件Pspice进行模拟，其本身强大的解算功能（Fluent求解器、结构化与非结构化网格的求解器等）能够实现任何操作系统下的网络并行运算。

2.3 网格划分

在热分析实验中，需要分析计算网格划分对于结果的影响。边界条件相同情况下，实验分别采用30万和60万网格进行热分析，二者的平均误差分别为11.4%和7.5%，说明二者计算的精度与网格划分的多少呈正比例关系，网格划分多少在很大程度上影响着计算的精准度。不过网格划分过多在提升精度的情况下会导致计算效率下降，所以需要在保障精度的前提下兼顾计算效率，保证热分析的精确性和高效率，通过灵活运用网格划分技术做到双赢，比如在关键部位进行加密或者不规则处使用非结构化网络等实现优化。

2.4 应用实例

以Icepak软件为例对某电子设备机箱进行热分析，并将热分析结果同实际测量值进行比较。

某电子设备中功率耗散比较大的主要模块是3个功放模块，总功耗＜113 W。按要求设备需限定在2U高的19英寸箱体内，可用尺寸应不大于：38×38×8 cm3（长×宽×高）。整机机箱上部为内空，占高3 cm，用于安装各模块，下部为主要散热体，占高5 cm，其中导热体占高2 cm，散热齿占高3 cm，散热齿宽5 mm，间隔5 mm，均匀排列，整机为自然散热方式。

其原始模型的器件基本参数如下：机箱散热体材料为铝合金5A05；功放发热功率为113 W，允许的极限温度为65℃ 。模型的结构图如图4所示。根据以上各模块耗散、预布局及散热壳体参数，采用Ice－Pak4.0热分析软件，对整机连续工作时热分布进行仿真分析，得到不同环境温度条件下整机热分布情况见图5、图6所示。热分析结果同样机实测温度的比较结果具体见表1。热仿真结果和实际温度基本接近，误差分别为6.69%、10.04%，基本能够满足工程设计要求。这些误差的产生可能是由于边界条件不够精确和功耗参数存在误差所导致，不影响电子设备的热分析设计。