電子設備熱分析研究

王守龍

摘 要 為更好地了解電子設備傳熱、散熱實質，通過傳熱機理、散熱技術的分析研究介紹了電子設備傳熱、散熱的過程，對電子設備在設計、生產、制造階段起到一定的理論支撐作用，對電子設備熱分析及電子設備的管理、應用具有一定的指導意義。

關鍵詞 傳熱;散熱;傳熱機理;散熱技術;熱分析;設備管理

引言

隨著科學技術的快速發展電子技術在各個領域得到了廣泛的應用。電子元器件朝微型化、小型化方向發展，電子設備集成度不斷提高，功耗不斷增加，熱流密度急劇上升。同時，相關研究表明，電子元器件的失效率隨溫度的升高而上升，電子元器件的溫度每升高10 ℃，其失效率就會增加一倍左右[1]，同時電子設備的平均使用壽命也會隨著工作溫度的升高而下降。據統計，電子設備的失效有55%是溫度超過允許值而引起的[2]。散熱問題已經成為制約電子產品可靠性的重要關鍵因素之一。

1傳熱機理

按照傳熱的不同機理可分為傳導、對流和輻射三種類型[3]。其中傳導和對流通常是影響設備傳熱或整個運行過程的主要因素。傳導是通過電動機和電線等固體部件進行的，而對流則是通過流動介質進行的。對流通常是利用風扇來驅動空氣流動，而散熱器則利用對流將熱量轉移出熱敏區域。

傳導的本質是通過電子運動和分子振動來傳遞能量。當靜止的固體或流體介質中存在溫度梯度時，會發生熱傳導。根據傅立葉定律，熱通量可由溫度梯度乘以導熱系數 k [w/（m·k] 得出，即q=-kΔt

對流則是由流體運動引起的，當流體整體流動時或進行宏觀運動時能量會發生轉移。如果是由外部因素導致的流體流動，稱為強制對流;如果是由內部浮力引起的流動，則稱為自然對流。此時，速率方程可由牛頓冷卻定律給出，有限元中作為對流問題的邊界條件。熱通量可表示為：

式中，ts（k）為物體表面溫度，ta（k）為周圍流體溫度 ，h [w/（m2·k）]為對流傳熱系數。

輻射作為第三種傳熱機制。輻射發生在溫度不同的不透明表面之間，有無中間介質均可發生。此時，熱通量（表面熱輻射）可表示為物體向外輻射的能量與接收的輻射能量之差：

式中，（無量綱）為輻射系數，σ[w/（m2·k4）] 為斯特藩- 玻爾茲曼常數，ts（k）為物體表面溫度，α（ 無量綱 ）為吸收率，G （w/m2） 為物體受到的輻射。

2散熱技術

（1）機箱自然冷卻技術。機箱自然冷卻主要通過表面輻射散熱和空氣自然對流換熱等形式，通常可增大機箱散熱面積或者機箱做開孔設計等措施來加強機箱散熱效果。

（2）強制對流冷卻技術。通過加裝散熱風扇、空調等設備對電子元器件進行強制對流散熱，對強制對流冷卻進行了模型分析，如下圖所示：圖1為速度分析，圖2為溫度分析情況。

（3）液態金屬散熱技術。金屬熱導率一般遠高于非金屬材料，散熱技術主要是利用了低熔點的金屬或其合金等來構成一種冷卻介質，主要利用這種介質的低熔點、高沸點、高比熱容、大熱導率并且該介質具有一定的流動性等特性來現實電子芯片散熱的作用。

（4）納米流體散熱技術。作為一種新型高傳熱性能、高效率的能量輸運工質納米流體如今迅速發展，該納米流體可有效提高基液的傳熱性能，對熱系統的低阻、緊湊、高效等性能指標的提高具有重要影響，能滿足熱系統高負荷的傳熱冷卻要求，滿足一些特殊條件下的強化傳熱要求，在強化傳熱領域具有十分廣闊的應用前景和潛在的重大經濟價值，納米流體散熱技術被稱之為未來冷卻散熱技術。

3結束語

通過目前電子設備在各個領域的廣泛應用、發展趨勢、傳熱機理和散熱技術分析，對電子設備傳熱機理和散熱技術有了一個新的認識，對以后在生產實踐中電子設備設計、制造、生產、管理、服務等方面具有一定的指導意義。

參考文獻

[1] OZMAT B.Interconnect technologies and the thermal performance of MCM[C].Conference on Thermal Phenomena in Electronic Systems，I-therm Ⅲ，IEEE，1992：53.

[2] 鄧道杰，陳奎.基于Flo THERM的抗惡劣環境計算機熱仿真[J].電腦知識與技術，2016，12（7）：229-231.

[3] 程尚模.傳熱學[M].北京：高等教育出版社，1990：61.