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电子设备热设计初步研究


电子设备热设计初步研究
0907121667 陈世锋
现代生活中电子设备已经渗透到了民用、厂矿、军事等各个方面。电子设备 的可靠性对于人们的生活起着越来越重要的地位。随着电子行业的不断发展, 对 电子设备体积提出了小型化的要求, 而电子设备的功能和复杂性日益增长, 这样 在有限的体积范围内, 电子设备的功耗不断增长, 热流密度急剧上升, 导致电子 设备的温度迅

速提高, 从而引起了电子设备的故障越来越多,与此同时,电子元 器件的失效率也随温度的变化而变化。 在电子设备中, 热功率损失通常以热能耗散的形式表现, 而任何具有电阻的 元件都是一个内部热源。 当电子设备进行工作时, 由于功率损失, 器件本身温度会 有所上升, 同时电子设备周围的环境温度亦会影响设备内部温度, 从而影响到电 子器件工作的可靠性。在电子行业, 器件的环境温度升高 10 ℃时, 往往失效率会 增加一个数量级, 这就是所谓的“10 ℃法则” 。随着微电子技术的发展, 电子设备 热设计越来越受到重视。正确的热设计是电子设备可靠性保证的主要方法之一。 利用热传递技术,降低发热元器件(例如电子管、 功率晶体管和大功率电阻等) 和部件(例如电源变压器)本身的温度,使电子设备整机内部温升降低到所要求的 范围,以提高设备抗温度应力的能力,这种可靠性设计称为热设计。电子设备的热 设计是指通过元器件选择、电路设计、结构设计和布局来减少温度对产品可靠性 的影响,使设备能在较宽的温度范围内工作。 热设计的目的是: ①保证电器性能稳 定,避免或减小电参数的温度漂移; ②降低元器件的基本失效率,提高设备的平均 无故障工作时间; ③减缓机械零部件氧化、老化、疲劳以及磨损等进程,

一、散热的基本方式和途径 散热的基本方式和途径
(一) 传导散热 利用热传导系数较大的材料(一般采用固体)作热导体,将热量由 高温端传到低温端。因物体的导热是由分子、原子或自由电子之间相互碰撞所引 起,所以传导可以在固体、液体和气体三种物态中进行。 传导散热的措施有: 选用导热系数大的材料制造传导零件; 加大与导热零件 的接触面积; 尽量缩短热传导的路径,在传导路径中不应有绝热或隔热元件。 (二)对流散热 对流是固体表面与流体表面的热流动,有自然对流和强迫对流 之分。在电子设备中流体通常指的是空气。 自然冷流散热:利用发热体使周围空气受热,密度减小而向上漂移流动,将热 量带走,与此同时下面的冷空气补充进去,取代暖空气形成对流,对流可在流动的 液体和气体中进行。 强迫对流分为强制风冷散热和强制水冷散热。强制风冷散热:利用风机高速 度的将发热体周围的热气流带走,提高散热效果。强制水冷散热:利用流动的冷却 水通过发热体将热量带走,其散热效果在相同体积下的比空气提高约 28 倍。 对流散热的措施有: 加大温差; 加大流体与固体间的接触面积;加大周围介 质的流动速度。 (三)辐射散热 利用发热体(热源)具有辐射热射线(为电磁波)能力,将热量以光 速从高温区射向低温区。 。 辐射散热的措施有: 在发热体表面涂上散热的涂层, 加大辐射与周围环境的 温差;加大辐射体的表面面积。

二、常用的冷却方法
(一)自然冷却 自然冷却是广泛采用的控制电子设备内部温度的方法,它完全靠 自然对流和辐射进行散热,因此最简单可靠。 (二)强迫空气冷却 当自然冷却不能解决问题时,需要用强迫空气冷却。 (三)冷板式冷却 带散热器的气道具有强迫气流从装置壁通过的性能。

三、电子设备热设计流程与方法
热设计就是把设备输入的热量降至最低, 并提高散热效果, 把设备内部有害 的热量排出到电子设备的外部环境当中, 获得合适的工作温度使其不超过可靠 性规定的限值, 确保设备可靠、 安全的工作。 电子设备的热设计可分为 3 个层次, 如图 1 所示:
系统级热设计 封装级热设计

元件级热设计

图 1 电子设备热设计的层次 对电子设备机箱、机框及方腔等系统级别的热设计, 即系统级(SYSTEMS) 的热 散热器、 PCB 板级别的热设计, 即封装级 (PACKAGES) 的 设计; 对于电子模块、 热设计; 对于元器件级别的热设计, 即组件级 (COMPONENTS) 的热设计。 系统级的热设计主要研究电子设备所处环境的温度对其影响, 环境温度是 电路板级热分析的重要边界条件, 其热设计是采取措施控制环境温度, 使电子设 备在适宜的温度环境下进行工作, 如图 2 所示。
4% 2%2% 17% 34% 温度 震动 湿度 沙尘 盐分 海拔 冲击

17% 24%

图 2 环境对电子设备失效的影响 电子设备进行封装级的热设计在国外发展较为成熟 , 出现了电子器件封装

(Electronic Packaging) 专业。 电子设备封装级的电子模板和 PCB 电路板热设计是 与设备的电路设计、结构设计密切相关同步进行的。对于 PCB 电路板基材进行 适当的选择是电子设备封装级热设计的重要内容, 覆铜箔层压板的种类、特性是 印制电路板设计和制造工艺人员所关心的项目, 除了一般要求的强度、绝缘、介 质系数等外, 对覆铜板的热性能有特殊要求。覆铜板的热性能有 2 个方面的内 容: ①覆铜板的耐温特性 环氧玻璃布覆铜箔层压板具有优良的电性能和化学 稳定性, 工作温度在- 230℃~260 ℃。聚酰亚胺覆铜箔层压板, 除上述优良性能 外, 还具有介电系数小, 信号传输延迟小的特点。 ②覆铜板的导热性能 选用耐高温、 导热系数高的材料来作为印制电路板的 材料。金属芯印制电路板具有相对优良的热性能。在相同的条件下, 环氧玻璃布 层压板图形导线温度升高 40 ℃, 而金属芯印制电路板图形导线温度升高不到 20℃, 因而金属芯印制电路板在电子设备中得到了广泛地应用。 由于电子设备各个部件是由各种不同材料的元器件组成, 如: 硅芯片、氧化 硅绝缘膜、铝互连线、金属引线框架和塑料封装外壳等。这些材料的热膨胀系数 各不相同, 一旦遇到温度变化, 就会在不同材料的交界面上产生压缩或拉伸应力, 因此产生了热不匹配应力, 简称热应力。 材料热性质不匹配是产生热应力的内因, 而温度变化是产生热应力的外因。 电子设备元器件级的热设计是为了防止器件出 现过热或温度交变而失效。电子设备的热设计步骤可概括为图 3 所示的工作流 程图。

图3

热设备工作流程

四、计算机辅助热设计

随着计算机技术的发展, 计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助制造(CAM )、 计算机辅助工程(CAE) 日益成熟起来。计算机辅助工程在产品开发、研制和设 计中显示出其无与伦比的优越性, 使其成为现代化工业企业在日趋激烈的竞争 中取胜的具体表现。 计算机辅助工程可以极为有效的缩短新产品的开发和研究周 期, 对于提高产品的竞争力起着至关重要的作用。 在电子行业, 计算机辅助设计也逐渐成熟起来, 出现了许多计算机辅助设计 软件, 极大的促进了电子行业的发展。电子设备的计算机辅助设计开始于 20 世 纪 70 年代, 当时的计算机辅助设计主要应用于印制电路板(PCB) 的设计。 热设计作为电子设备设计的一部分也得到了充分的发展。在我国电子设备 热设计领域主要是利用计算流体动力学(CFD) 方法来进行的。国外已经有了很 多成熟的商业软件来进行计算机辅助热设计, ANSYS, FLOTHERM , ICEPACK, FLO/PCB, MACROFIOW, ABAQUS 等。相对来说, 国外的热分析软件的开发和 应用趋于成熟, 在工业应用当中具有广泛的应用; 一般商业化的热分析软件需要具备 3 个要求: (1) 功能可靠, 可以解决热分析时所遇到的问题; (2) 软件易于使用, 操作方便; (3) 具有修理或解决突发问题的能力。 进行热分析的数学基础是有限元法、有限容积法、有限差分法以及边界元法。 对于不同的分析软件, 所采用的数值方法有所差别。热分析就是根据工程实 际来对模型简化, 建立数学模型, 求解非线性方程, 编制和调试分析程序, 最后 得到可视化的温度分布图。

五、电子设备热设计的发展方向
电子设备热设计是一项十分复杂的工作, 有待解决的问题很多。电子设备的 计算机辅助热设计还有待于进一步的完善和发展, 与电路板结构的设计有机的 结合起来。由于电子设备微型化的趋势, 电子设备热设计需要从微尺度换热的角 度来考虑进行有效的热传递。另外液体冷却和热管等技术在电子设备上的应用 也是今后电子设备热设计的发展方向。


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