电子设备的热可靠性平台设计

杨 青

(上海电气集团中央研究院）



电子设备的热可靠性平台设计

杨 青

(上海电气集团中央研究院）

摘要：本文是针对于电子设备的热属性测试和热设计优化建立一个可靠性应用研发平台。平台分为热测试和热设计两个模块，热测试半导体器件的热学属性的精确测量和外围散热设备的选型和验证，并结合热设计部分，保证仿真结果的准确性，并可进行结构和选型的优化，平台囊括电力电子产品化过程中热可靠性设计的所有环节。

关键词：电子设备；可靠性；热属性；热设计

0　引言

美国空军的对电子产品质量的研究，发现电子产品的失效55%是由热设计不当引起的。而电子产品的结温与可靠性的关系是一个指数型上升曲线。一般而言，对于一个设备，其中的电子元件的温度每升高10℃，系统的可靠性就会降低为原来的一半。电子设备的散热状况决定了电子系统的整体性能，过度载热严重影响电子设备的寿命及可靠性，因此合理的电子系统的设计，包括各生热元件的布局、散热元件的位置等，对保证系统散热效果、提高设备寿命，保证设备可靠性至关重要。

随着设备的小型化，电子元件的集成程度不断提高，一方面小型化、微型化与高速度、高性能的矛盾要求设计时既要考虑客户的体验和体积的大小，又要兼顾高速度、高性能必然带来的发热量大的问题；另一方面，电子器件和设备越来越高的性能导致的功耗越来越大，这与当前环保、节能的大趋势又有矛盾。当前，新型的电子元件及散热技术不断涌出。为降低热分析的难度及提高热分析的速度，就要求热分析软件有非常大的模型库并最好能及时更新。满足这个特征的模型库才能保证对于电子系统快速建模，进行热分析。

对电子系统进行热分析的最终目的是为了实现设备的优化设计，电子系统的设计可变量很多，以风扇为例，风扇的大小，位置，个数等都是可变的，不同的设计会有不同的散热效果，如何迅速评估这些大量设计变量，找出最佳设计对热分析师提出了很大的挑战，因此要求热分析软件要有先进的优化功能。

1　平台结构和功能介绍

本文是针对于电子设备的热属性测试和热设计优化建立一个可靠性应用研发平台。热属性测试功能体现在：此平台可以专业的测量半导体器件的热学属性，并结合热设计优化功能，使得计算结果非常精准，也可以形成自己的半导体器件热属性库，为后续的研发工作打好基础，同时可进行电子器件的功率循环测试，得出产品质量缺陷。热设计优化功能体现在：在任何实体样机建立之前，工程师就可以在设计流程初期快速并简易地创建虚拟模型，得出快速准确的模拟结果，进行热场的分析，并且利用优化设计功能，使得产品工程师比较不同的热设计方案，快速的找到最佳设计方案。

图1　平台结构

热测试模块：是整个平台的基础，是热可靠性仿真和热优化设计准确性的保证。（1）对器件内部热属性的精确测量：准确测量出实际热属性，大幅度降低产品设计冗余，降低产品成本，减轻散热路径第二层的负担。将每个器件的测试数据组合起来就形成了一个巨大的器件热模型库；（2）外围散热设备的选型和验证：指导工程师对器件进行选型，包括功率模块、散热器、硅脂、风扇等。只要是热流路径上的一环，比较结果便可以得出哪个产品更适合；引进T3ster热可靠性设备，误差达0.01℃，具有1微秒采样分辨率，直接得出真实的热属性，并和热设计软件直接进行数据对接。

热仿真优化模块：热仿真模块提供整个流场的温度、压力、速度分布是实现平台功能的关键一步，实现产品热结构优化和产品降本，是平台建设的最终目的；FloTHERM 是一款强大的应用于电子元器件以及系统热设计的三维仿真软件。在任何实体样机建立之前，工程师就可以在设计流程初期快速并简易地创建虚拟模型，运行热分析以及测试设计更改。FloTHERM 采用先进的CFD (计算流体力学) 技术，预测元器件、PCB 板以及整机系统的气流、温度以及传热。

2　结果分析

如下图所示，将我们使用的硅脂和不使用硅脂进行比较，测得不同情况下，元器件的内部热阻和热容结构，可以看出由于元器件内部的结构是一样的，只是由于硅脂的原因外部的热流路径变化，所以得出蓝线和红线的分叉点处即是器件的外壳。分别测试器件的热属性，并导入仿真软件内，进行热分析优化。

图3　测试器件结壳热阻

测试器件的热阻热容结构，并直接导入FLOTHERM仿真软件，得到精确的内部温度场，如下图所示：

图4　设备内部温度场模拟

3　结论

经过测试设备的精确测量，得到器件的热属性，继而进行仿真优化，大大提高了仿真结果的精确性和可信性，为电子设备进一步的结果优化和降本提供了有力的保证。

图2　测试设备和原理

Design of thermal reliability platform for electronic equipment

Yang Qing
(Central Research Institute of Shanghai Electric Group)

Abstract：This paper is aimed at the thermal property testing and thermal design optimization of electronic equipment to establish a reliable application research and development platform.Selection and validation of the platform is divided into two modules,thermal test and thermal design,thermal test semiconductor device thermal properties of accurate measurement and peripheral cooling equipment,combined with thermal design,ensure the accuracy of the simulation results,and can carry on the optimization of structure and selection,the platform include thermal reliability design in the course of power electronic products in all aspects.

Keywords：electronic equipment;reliability;thermal property;thermal design