民航维修电子元器件散热方法研究

白吉宾

摘要：民航电子设备的大发展导致数量巨大的电子元器件需要进行维护与维修。数据表明，损坏的电子设备中55%的原因都与温度相关。本文运用拟回路方法，采用热分析软件FLoTHERM PCB对民航维修、改装设计中的元器件散热进行仿真，分析电子设备的温度控制以及热量传导，并应用当前研究中不同的散热和冷却方法对其进行简单优化。

关键词：热分析；FLoTHERM PCB；电子元器件；散热

Keywords：thermal analysis；FLoTHERM PCB；electronic components；heat dissipation

0 引言

民用航空的蓬勃发展带来了新技术在新机型上的大量使用，机载电子设备的使用和改装频率急剧上升。统计数据显示，电子设备的损坏率和更换率相对于飞机其他部件要高出很多，且多数损坏与其温度相关。可是，针对电子设备的维修大多仅是查询手册更换相应器材后进行测试，合格后即完成了维修工作，隐藏在电子设备损坏背后的真正原因却没有得到总结和提炼，如电子设备热失效问题往往被忽视。热失效问题并不只存在于航空领域，只是由于温差大的特点使得此问题在航空领域的影响尤为突出。据统计，半导体材料的元器件温度每升高10℃，实际功效就下降五成，其中的根本问题就是电子设备的热失效。

对电子设备进行热分析可以提前预知其温度的分布以及功耗的大小，在此基础上对元器件的合理使用进行验证和优化，无论在维护方面还是设计层面都有着不可替代的作用。本文通过采用FLoTHERM PCB进行热仿真试验，将试验结果与理论分析进行对照，以此探索热分析在航空器持续适航维修工作中的可行性和必要性。

1 热分析的基础知识

1.1 热分析概述

热分析也叫热仿真设计，是通过分析元器件物理性质对温度变化的影响，将抽象的热问题具体化数字化，从而方便地对相关问题进行研究的一种分析方法。热分析技术可以帮助维修、设计人员预知航空器上元器件的温度以及功耗情况，从而对元器件进行合理选择、布局甚至更换。

热分析的主要研究对象为热量的转移。物体间的热量流通与交换一般通过以下三种途径实现：热量的传导、热量的辐射、热量的对流。

热传导是一种十分常见的热转移方式，即热从热量高的物體转移到热量低的物体，这是物体自身的物理特性，导热介质可以是固体、液体和空气。在实际操作中，热传导通常作为辅助散热应用。

热辐射基于电磁波原理，是物体运动过程中其自身携带热量经由电磁波反射传输到其他地方去的过程。热量的对流与传导依赖如空气或液体等外物，但是热辐射却不同，不需要空气或液体，即使在太空中仍会有热量的辐射，因此热辐射能够覆盖较远的距离，且辐射的距离与物体自身所携带的热量呈正相关关系。但是，只有在温度极高时才会考虑热辐射。

热对流则是非静止的物体在遇到气体或液体时在触碰界面发生热量的转移与交换，其发生的条件需要至少两种不同的热量承载体的交接。热对流大体可以分为两种：一种是人工对流，即通过人工的干预，如风扇、鼓风机等设施，使热量按照人为的设定来流动；另一种是自然对流，这是由于热量所在的场因密度不平衡而进行的自发调整所导致的，一般分为大环境对流和小环境对流，当元器件所处环境之间的距离比小环境对流的距离还要小时则不考虑对流。对流是本次模拟试验中利用的主要热转移理论。

1.2 热分析方法及模拟软件的选择

常用的热分析方法有模拟电路法、函数关系法、数值求解法和流体动力模型（CFD）等。本仿真试验采用模拟电路法。该方法通过软件的模拟，可以对不同难度层级的电子设备进行分析，并获得较为精确清晰的结果。在选择模拟软件方面，由于当前流行的热分析软件较多，如Ansys、FloTHERM、Icepack等，根据软件的特点以及佐证热分析运用于电子设备的可行性，本研究选择FloTHERM旗下的一款子软件FloRHERM PCB进行仿真试验。该软件的特点是：可以通过仿真来观测元器件及其节点的温度；可以与其他主流CAD软件进行仿真数据的导入；能够进行多层面整合显示。

2 仿真实例应用

2.1 热失效仿真模拟

采用模拟电路法，以FLoTHERM PCB（版本7.1）为热分析软件，在控制一个模拟实例中变量的同时，解析相应热失效变化情况，从而分析和解决电子元器件的温控问题。

首先，通过FLoTHERM的建模功能，参照航空维修中常见的元器件布局，建立虚拟的研究对象——多元器件仿真电路，如图1、图2所示。该电路由两个功能组F1和F2构成，分别模拟航空维修中不同类型的元器件。F1功能组为解析引擎组（Parsing Engine），F2功能组为读取和执行组（Fetch&Execution），其中，F1功能组包含2个5W的解析器（U1、U2）和3个4W的简单热阻模型元件（U3、U4、U5）。

使用模拟运行功能，给该仿真电路供电，软件模拟出功能组F1中元件的平均温度Tav，如图3所示，U3、U4、U5的温度均已超过100℃，U3、U4的温度已经高达125℃，原本的内设温度（Inlet Temperature）仅为37℃。温度变化相差近100℃，这必然造成U3、U4、U5功能的下降。

2.2 问题分析及优化

操作软件对仿真电路的温升进行模拟控制。方法如下：1）在创建模式中选择功能组F1；2）在属性表中，选择Z轴旋转180°选项，将F1中的所有组件旋转180°。测试结果如图4所示。最高温度已经由≥125°变为≥120°，即元器件的布局稍做改动，得到的改变结果却是卓有成效的，产生此差异的原因也可在仿真试验中得到验证。

图5为改变布局之前电路上方的气流说明图，箭头为气流流动方向。从图中可以看出，气流是沿着Y轴的正方向进行流动的。图6与图7分别是将F1中的组件按Z轴旋转180°之后的气流图与F1元器件的3D图。从图中可以看到，U1、U2比较“高”“胖”，U3、U4、U5相对较“矮”“瘦”，调整前，U1、U2挡住了一大部分通向U3、U4、U5的气流，热量无法有效地被气流带走。这也就是调整后U3、U4、U5温度有所下降的原因。

旋转Z轴对布局进行优化只是元器件布局优化方法中的冰山一角。设计中可根据实际情况对元器件进行合理排布，尽可能建立低热阻的热通道，在不花费任何财力、不使用任何散热器件的情况下，通过最为自然合理的方法为PCB板或元器件进行散热。

因此，根据软件模拟解析的结果，总结出维修活动中通风布局时通常采用的方法：在冷却路径固定时，1）通常将温度高、辐射大、体积较大的元器件单独分配至散热路径的后方，避免挡住体积小的元器件；2）尽量保证散热通道短，如果通路较长，预想的风速或风量效果会在通路后部大打折扣；3）存在液体的元器件应尽可能放置在离热源较远处；4）热量较大的元器件应尽量安置在整体布局的边界或四周。

实际维修活动中最常见的情况是元器件的布局已经固定，但是冷却布局可变。在这种情况下，应改变强制冷却路径，使其尽量满足元件布局可变时的条款，以达到最佳散热条件。

此外，不能忽视元器件另一个热失效关键点——部件节点和外壳体的温度控制。采用相似的方法对仿真电路进行测试。由于U3、U4、U5单元体为热阻模型元件，对节点温度以及外壳温度的变化较为敏感，故只分析这些单元体的相应参数就可得出结论。模拟运行仿真测试后得到U3、U4、U5的节点温度分别为116℃、118℃和112℃，均大于Tj_ max90℃；此时U3、U4、U5的外壳温度分别为115℃、115℃和111℃，也均超过Tc_max75℃。运用FLoTHERM PCB主要功能中计算元器件安全功率的功能，输入相应数据，软件会对方案进行自动修正并求解所选元器件的安全功率以及相对应的结点温度Tj_max。得到U3、U4、U5的节点温度为90℃≤Tc_max，虽然节点温度满足要求，但是三者的实际功率从最初的4W下降到2W左右，说明如果不对元器件节点进行温度控制，U3、U4、U5的实际安全功率只能在2W左右，这显然是不可接受的。以上模拟可使工作人员对元器件的安全功率有了更为准确的预知。

为了使实际的安全功率逐步提高，直到滿足要求，需针对节点施加额外的冷却。常用的冷却方法有增加强制空气冷却法、加装散热元件法等，实际维修和改装工作中最易于实现的是增加强制空气冷却法，即通过人为调节空气的流速和流量，使特定区域的空气按照预定的方式流动，进而达到快速高效降低节点温度，保证元器件功率的目的。

经过强制冷却后，U5的实际安全功率由3.78W上升至6.47W，已经超过了热分析之前预计的功率4W；U3、U4的实际功率也有小幅上升。强制空气冷却法的效果虽然不如加装散热器，但在特定环境下已是十分有成效的。实际运用中，一些体积较小的元器件不方便安装散热器，或者受元器件外壳影响而无法安装散热器时，强制空气冷却法就是最佳选择。条件允许时还可以增加热孔，在减小热阻的同时增大散热面积，使部分热量通过热孔传递到导热层，再被排出布局外。另外，铜作为导热能力绝佳的金属，在实际改装工作中可将其与热孔结合使用，起到更好的散热作用，如在热孔内镀铜，进一步提升热孔的效率。

3 结束语

在进行仿真试验之前，综合分析了常用的热分析软件，结合自身实际情况决定选用FLoTHERM PCB软件。通过对资料的查找与整理，实现了本次的仿真试验，其主要创新成果如下：

1）软件的选择。FLoTHERM PCB是一款专项研究PCB板电子元器件温度问题的软件，研究范围虽然相对狭窄，但更为简单明了。

2）仿真方法的选择。本试验选择模拟电路法进行仿真，其中的多数仿真可以共享一个电路，使得前后的对比性极强，可以帮助工作人员清晰地了解到如何通过FLoTHERM PCB软件、运用不同的方法将模拟环境中的温度控制到符合要求的标准。

通过采用拟回路的方法对模拟的维修环境进行热分析，在仿真过程中采用对照的思路一步步地对相关元器件进行优化、温控，最终使得元器件的功率不但满足且超出了预设功率。以上分析客观地证明了热分析在维修中应用的可行性，同时也佐证了该方法能够在一定程度上解决维修工作中遇到的温度问题，大大提高了电子设备的寿命和效率。

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