關于電子設備熱分析技術及軟件應用分析

楊蘭平

【摘要】 電子元器件的散熱問題，能夠影響電子設備的壽命和性能，利用現有的熱分析軟件，在電子設備的設計階段，了解其溫度分布情況，對設計進行優化，從而提高電子設備的可靠性，本文在電子設備熱分析理論的基礎上，結合熱分析軟件的特點，對建模情況、導熱情況、對流情況等影響分析結果的因素進行了簡要的問題，最后結合Icepak熱分析軟件，對電子設備熱分析中如何利用軟件對溫度進行控制進行介紹，希望能給實際的電子設備熱分析提供一定的參考。

【關鍵詞】 電子設備 元器件 熱分析技術 熱分析軟件

隨著電子信息技術的發展，電子元器件逐漸微型化、高功耗化，功耗的增加使得不同元器件間的熱流密度增加，相關的統計表明，在電子產品發生的故障中，有55%以上是由于冷卻系統原因導致的。溫度的升高會導致電子元器件失效率提高，如果沒有采取良好的熱控制技術，電子元器件的壽命和可靠性都會受到很大的影響。熱分析軟件的主要作用是模擬電子設備的熱狀況，在產品設計階段中，利用軟件進行仿真，找到電子設備模型中溫度最高的地方，然后對電子設備的設計進行修改，或采取相應的散熱方法，將溫度控制在允許的范圍內，使得產品能夠一次成功，提高電子設備的性能和可靠性。

一、電子設備熱分析的理論

電子設備的散熱主要有三種方式，分別為對流散熱、輻射散熱和導熱，對流散熱是利用元器件表面和周圍接觸，由于存在溫度的差距而進行的熱量交換，實際的散熱有自然對流和強迫對流兩種，自然對流也叫被動散熱，通常不采用風扇燈散熱措施，利用電子元器件工作時產生的熱量與周圍自然存在的溫差進行熱交換。強迫散熱也叫主動散熱，利用風扇、水冷等方式，人為的增加電子元器件和周圍之間的溫差，根據牛頓冷卻方程qn=h（Tw-Tf），其中h為換熱系數，Tw為電子元器件表面的溫度，Tf為周圍流體的溫度。導熱理論是建立在傅立葉定律的基礎上，其數學表達式為qn=λdT/ dx，λ為電子元器件材料的導熱系數，qn為熱流密度。

二、熱分析軟件簡述

電子設備熱分析中熱分析軟件的應用，主要有數值分析法和解析法兩種，解析法主要解決簡單的熱分析問題，而數值分析法利用離散數學和數值計算，在計算機的環境中對大量復雜問題進行計算，隨著電子元器件的發展，目前熱分析軟件主要采用數值分析法。

由于現在使用的電子元器件，其散熱都需要考慮很多因素，如元器件的分布、材料和幾何因素等，熱分析軟件可以將這些因素都加入到電子設備的模型中，快速的計算出電子設備溫度分布情況。

目前市面上有很多電子設備熱分析軟件，如Flotherm軟件、Icepak軟件等，受到我國軟件技術水平的限制，我國沒有自主研發熱分析軟件，使用的熱分析軟件都需要從國外購買，但是在實際應用的過程中，很多模型建立的不夠合理，相關數值輸入不精確，影響了熱分析的結果。

三、影響熱分析軟件分析結果的因素

3.1建模情況

在電子設備熱分析中，熱分析軟件的應用首先要建立一個模型，如PCB板的建模中，由于PCB板通常由銅和絕緣體加壓、熱制成，銅主要起到導熱、導電的作用，現在使用FR4絕緣體傳導率為0.35，銅為388，由此可以看出，PCB板中銅的含量是影響其導熱的主要因素，而銅的分布比較復雜，尤其是多層的PCB板，有過孔、焊盤、銅線，很難建立詳細的模型。

因此熱分析軟件中，通常會把PCB板當成各向異性的均一的傳導率材料，而傳導率的確定，往往依據工作人員的經驗，因此不同人員熱分析的結果可能會存在較大的差異，與真實的情況會存在一定的誤差。現在使用的熱管等傳導冷卻技術，其建模更加困難，需要使用軸向高傳導的桿進行建模，但是軸向傳導率很難確定。

3.2導熱情況

根據導熱的傅立葉定律數學表達式可知，熱傳導情況由電子元器件材料的傳導率確定，如果是簡單的材料，利用材料手冊能夠查到其傳導率，但是現在使用的復合材料，其傳導率很難確定，如塑料等，不同塑料之間的熱傳導率有很大的差異，加上手冊中的數值都是在實驗室的環境中測得的，與實際環境中的數值會有一定的差異。

因此很多工程材料，由于缺乏精確的傳導率，使用帶有誤差的傳導率進行計算的現象非常普遍，這是導致熱分析結果不準確的重要因素。

3.3對流情況

對流換熱是復雜的過程，會受到電子元器件的表面和流體的物性等因素影響，如flotherm熱分析軟件對風扇進行建模時，會從軟件自身帶有的器件庫中選擇風扇，然后輸入相應的空氣體積流速-壓力曲線，雖然建模比較簡單、快速，但是顯然無法真實的反應出風扇帶來的氣流壓降和湍流情況。

在空氣通過管道和出風口時，會有空氣阻尼作用，導致氣壓和風速的降低，該系數可以進行測量，隨著速度的變化而不同，但是在速度較低時，很多設計人員會將其當作常數，甚至在速度較高時，有些設計人員也會將其作為常數，這樣的處理也會產生誤差。

四、熱分析軟件Icepak的應用

Icepak是專業的熱分析軟件，在電子設備熱分析中應用非常廣泛，軟件內置了很多物理模型，對熱傳導、對流、層流等流動現象進行模擬仿真，符合現代電子產品設計的需要，如某元器件的總功率為800瓦，在室溫環境中最高容許溫度為108攝氏度，該元器件的功率較大，要想在實際中對其溫度進行測試，顯然需要消耗較大的電量，而且需要很長的時間，加上樣品制作需要一定的成本，如果利用Icepak軟件進行分析，顯然可以很好的解決這些問題，快速的確定溫度分布情況。

Icepak熱分析軟件的應用，首先需要設定初始參數建立模型，確定模型后要設置收斂標準和迭代步數，由于該軟件在傳熱和流動問題求解中，主要采用能量守恒、動量守恒和質量守恒三個控制方程，只要有1個方程不收斂，就要對建立好的模型進行檢驗，然后重新進行驗證，直到迭代收斂為止。

如果經過軟件分析發現某處的溫度超過了設計的容許溫度，就要采取加裝散熱片、風機等措施，然后再次利用軟件進行分析，直到元器件的溫度低于設計的最高容許溫度為止。散熱片的安裝時，為了追求電子設備的性能和成本最優，必須確定散熱片的肋間距、底板和肋片厚度最佳，在熱分析軟件中反復的對比結果，由于Icepak軟件有參數式分析功能，這個trials功能能夠快速的將散熱片最優。

五、結語

電子設備的熱分析技術，利用熱分析軟件能夠模擬電子元器件的溫度分布情況，對電子設備的溫度進行控制，保障電子元器件的性能的壽命最優，與傳統的制作實物等熱分析相比，能夠極大的縮短研發時間。

目前市面上的熱分析軟件有很多，由于都是國外的軟件，我國技術人與使用的過程中，受到各種因素的影響，分析結果容易存在較大的誤差，必須重視建模、導熱、對流等因素，盡量減少軟件分析結果和實際情況之間的誤差，保障電子設備的設計一次成功。

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