基于简化模型的热测试分析法及其应用

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0 引言

随着电气化、网联化、智能化的发展，电子设备的应用越来越广泛和不可替代，这一特点在汽车、轨道交通、航空航天等领域表现得尤为明显。电子设备的集成度越来越高，大功耗器件的使用越来越广泛，产品体积的小型化要求越来越高，产品的应用环境越来越多样化。这些发展趋势使得电子设备过热的问题越来越突出[1]。电子设备的失效有55%是温度超过规定值引起的[2][3][4]，半导体元件的温度每升高 10 ℃，可靠性降低 50%[1][3][5]，过热严重限制了电子产品性能及可靠性的提高，也降低了设备的工作寿命[1]。解决电子设备过热问题，提高产品可靠性的相关技术称为电子设备热技术，其主要包括：热分析、热设计及热测试三大技术，这是发现和解决电子设备热缺陷不可缺少的技术手段[1]。

热分析技术又称为热模拟技术或热仿真技术[6]，主要是基于有限元法或有限差分法对电子设备发热或受热的情况进行模拟的分析方法，这种方法得出的模拟结果会与真实情况（或称真值）存在较大的偏差，主要用于概念设计阶段，便于设计人员把握大致的设计方向。热设计技术是根据热设计的准则，寻找并采用与电子设备性能要求相匹配的散热方法的技术，常用的散热方法有自然冷却、强迫风冷、强迫液冷、蒸发冷却、电热冷却等。热测试技术是利用专用的设备模拟电气设备的应用环境（包括温度、湿度等）、负载、信号等，并在此基础上，对电子设备进行热测试，根据测试结果判断电子设备热性能是否达标和存在的薄弱环节的技术。热测试得到的测试结果与真实情况（或称真值）偏差很小，是获得电子设备运行温度最准确的手段，也是检验电子产品的热性能指标是否达到预定要求的最终手段[3]，也是获得热分析所需热特性参数的唯一手段[1]。热测试已经成为现代电子设备开发必不可少的过程之一。

1 热测试技术的现状

电气设备过热问题的研究从20世纪60年代开始，1978年美国发布了《可靠性/热设计手册》，其中给出了热设计的理论、实例及标准等。我国紧跟其后，于20世纪90年代发布了SJ 2709-1986 《印制板组装件温度测试方法》、SJ 3230-1989 《电子设备自然冷却温度测试方法》等指导性文件。经过多年的发展，热测试技术已经取得了重大进展，热测试技术在航空航天、汽车、轨道交通、机械电子等各大领域得到广泛应用，在电子设备的发展中起到了不可替代的作用。

对电子设备进行热测试的方法，主要分为接触式和非接触式两种类型[3、7]。接触式热测试的方法主要包括热电偶测试法、温度计测试法、示温漆/蜡测试法、集成电路测试法、热敏电阻测试法、光纤测试法等。工程上准确地定量测温一般都用热电偶测试法。非接触式热测试的方法主要指红外测试法。红外测温容易受到被测物体的黑度（取决于材料本身性质）、表面状态、温度等多种因素的影响，测量准确度不高，一般只用于定性热测试。

对于研发企业而言，电子设备的热测试既可以委托专业的测试机构进行，也可以由企业内部的热测试实验室自己进行。为了提高电子设备的研发效率，企业一般都会建立自己的热测试实验室，以满足产品研发阶段快速摸底的热测试需要。只有在产品验收阶段，才会委托第三方专业测试机构进行热测试并出具测试报告。

企业常采用的热测试方法，包括高低温交变湿热试验箱与热电偶温度传感器组合的测试的方法，对不同的电子设备进行热测试时需要搭建不同的热测试台架。图1所示为一种典型的电子设备热测试台架。

图1 热测试台架

经过热测试过程可以得到热测试数据，热测试数据可以通过计算机读取和导出，导出的数据一般都以矩阵表格的形式进行保存和展示。当测试点比较多的时候，表格信息量会非常大，行数和列数比较多，甚至在显示界面上一屏都无法展示全部信息。在复杂的堆叠设计中，由于在测试数据表格中，只显示测试点代号及与之对应的温度值，而测试点代号与电子设备上实际测试点位置的对应关系无法展示，导致数据读取和理解非常困难。这极大地限制了热测试的价值发挥，阻碍了跨专业的交流，探寻更加简单直观的热测试数据分析与展示的方法变得极为迫切。

2 基于简化模型的热测试分析法

基于简化模型的热测试分析方法是一种数据分析与展示的方法，其目的是将热测试过程获取的数据以更加直观、更加全面的方式进行分析与展示，以便对电子设备的热性能进行理解、分析、判断和优化。

图2所示的是一款电子控制器（电子设备）的3D结构，其由金属外壳、印刷电路板总成、导热介质等组成。其中，印刷电路板总成上有四款芯片或模块A、B、C、D的功耗较大，进行了特殊热设计，其散热路径是：芯片/模块→导热介质→导热凸台（金属外壳）→散热齿（金属外壳）→周边环境。

图2 电子控制器3D结构

针对图2所示控制器进行热测试可以得到许多数据，按照现有的热测试技术，可以从测试计算机端导出热测试数据，这些数据是以矩阵式表格的形式呈现的，读起来比较困难。

基于简化模型的热测试分析法相对于现有的热测试法增加了构建简化模型、实物测试点位置与简化模型对应、热测试结果在简化模型上的展示等过程。构建简化模型是指，由图2所示的控制器3D结构等效转化为图3所示的平面模型。在简化后的平面模型中，电子设备和电子元器件用不同大小的平面图形（例如矩形框）表示。这些平面图形只反映电子设备以及电子设备内部与散热相关的元器件的相对位置关系，而忽略元器件实际的尺寸大小。比如PCB用一个矩形框表示，芯片或模块A、B、C分别各用一个矩形框表示，热介质材料用一个矩形框表示，以此类推，就将具有立体空间结构的控制器构建成了简化模型。实物测试点位置与简化模型对应过程需要测试人员根据实际选取的测试点进行操作，这个过程是为了将实物测试点位置与简化模型上数据展示位置一一对应起来。

图3所示的画面是采用基于简化模型热测试分析法得到的结果展示。其中，高低温交变湿热试验箱、控制器外壳、导热介质材料、芯片或模块、PCB等均进行了简化与等效处理。另外，芯片或模块A、芯片或模块B、芯片或模块C、芯片或模块D的位置也进行了简化和等效处理，放到了同一平面进行展示，变得更加简洁和直观。

图3 基于简化模型的热测试数据展示

采用基于简化模型的热测试分析法，可以快速且直观地看出环境的温度及湿度、某个发热元件向外界环境散热的路径、每个传热节点的温度，得到不同节点之间的温度差，从而可以初步确定前后节点间的传热效率高低、热阻是否过大。如根据控制器内部空气温度T1与空气温度T2之间的温差ΔT1的大小，可以初步确定控制器内部空气流通情况的好坏。根据凸台D温度与模块D温度之间的温差ΔT2，可以判断导热垫 D（thermal pad D）的导热效果是否良好。基于简化模型的热测试分析法，便于非热测试专业人员对所讨论问题的理解，从而提高沟通的效率，由此可对基于图3所示的热测试结果进行技术分析，明确问题点，制订解决方案。

3 基于简化模型的热测试分析法的应用

基于简化模型的热测试分析法有诸多优点，它可以在许多场景下以不同的形式应用。主要体现在热测试数据手工后处理、热测试数据分析与展示的软件、热测试仪器的软件集成等三个方面。

3.1 用于热测试数据手工后处理

基于简化模型的热测试分析法可以应用于热测试数据手工后处理。

在这种应用场景下，热测试的方式可以是任意的，只要能够获得热测试的数据即可。得到热测试数据之后，可以借助纸和笔或者借助任何具有绘图功能的软件手工创建简化模型，并将对应的热测试温度数据填写到简化模型中，从而得到基于简化模型的热测试法的热测试数据图。工作人员可以基于得到的数据图进行数据分析和交流。

3.2 用于热测试数据分析与展示的软件

基于简化模型的热测试分析法的第二种可能的应用，是将基于简化模型的热测试分析法作为软件架构的一部分，将基于简化模型的热测试分析法封装成热分析软件或APP。这样的软件可以预留数据接口，例如可以自定义简化模型，可以手动输入温度值，也可以以矩阵表格的形式批量导入热测试数据，软件或APP接收并识别数据，根据预设的对应关系，以类似图3所示的形式显示出来。这样的软件可以直接接入到热测试系统（如无纸记录仪）中，也可以在PC端或其他移动端下载安装并独立运行。

3.3 用于热测试仪器的人机界面

基于简化模型的热测试分析法还可以用作热测试仪器的软件集成，集成到热测试仪器软件当中。例如可以增加创建简化模型功能模块、实物测试点与简化模型位置对应功能模块、热测试数据显示界面模块等，测试人员在使用时可以根据需要和习惯自主选取相应的功能模块。

采用集成了基于简化模型的热测试分析法功能模块的热测试仪器进行热测试时，测试人员可以在测试开始前，在计算机系统中创建简化模型，进行实物测试点与简化模型对应，然后正式开始热测试，由仪器自动输出基于简化模型的热测试分析法的热测试数据展示图。

如果要将基于简化模型的热测试分析法用于热测试仪器的人机界面的一种，那么必须事先对热测试设备软硬件进行一些升级，比如要能够保证每一个测温点与人机界面上的显示区一一对应，以保证系统可用。

4 结语

电子设备在居家、出行、医疗、办公等各个领域的应用越来越广泛，尤其是在智能化、网联化呼声越来越高的汽车行业，其对电子设备的可靠性要求更高，而热性能又是决定电子设备可靠性优劣的重要因素，热分析、热设计和热测试等热技术的提高，对于提高电子设备可靠性至关重要。这里提出的基于简化模型的热测试分析法可以提高热技术研究的效率，可以提高对电子设备热测试数据理解和分析的效率，快速找到问题点并有针对性地制订解决方案。