电子设备热设计的初步研究

thinkfunny · 发表于 2021-7-9 09:58

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电子设备热设计的初步研究

      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，表1是电子元器件失效率随温度变化。例如：PШ500芯片，其集成的元器件数目达到了百万之多，温度显著提高，虽然采用了散热片、风扇等措施来进行冷却降温，但仍得不到所要求的效果，厂商不得不将其工作电压从5 V降低到3 V，甚至更低，以减小其功耗，控制内部温度，保证其正常工作。
      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。
1 电子设备热设计的一般流程 ?所谓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。
      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）的热设计；对于电子模块、散热器、PCB板级别的热设计，即封装级（PACKAGES）的热设计；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。
      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［4］，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［3］，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。
2 电子设备冷却方式及其选择

      电子设备的冷却方式可分为2类形式：自然冷却散热和强制冷却散热。根据具体情况，选择适当的冷却方式是热设计的重要方面。冷却方式的选择取决于很多因素，如：电子设备的总发热量、电子设备的允许热量、工作环境以及电子设备元器件的组装方式及布局等。

2.1 自然冷却

      自然冷却是利用设备中各个元器件的空隙以及机壳的热传导、对流和辐射来达到冷却目的，冷却方法广泛的应用在中小功率设备上。自然对流依赖于流体的密度变化，所要求的驱动力不很大，因此在流动路径中容易受到障碍和阻力的影响而降低流体的流量和冷却速率。因此在清晰干净且畅通的情况下，自然对流是一种比较有效的冷却方式。一般情况下，电子设备都采用此种冷却方式。热辐射可以通过真空或者通过吸收作用相当小的气体进行传播。当电子设备内部具有较大的温差时，可利用辐射换热来进行热传导。

      早期的386微机中，通过结构、元器件布局上的合理设计，利用自然冷却可以使设备中的热量散发到环境当中，使微机在允许的温度范围内进行正常工作。但当元器件之间的距离小于3 mm的时候，自然对流几乎停止，传导和辐射成为主要的散热方式。另外，元器件的引线要短，尽量减小元器件与印制电路板之间的温差，发热量大的元器件要装在底板或者散热器上，底板和散热器大多经过表面处理增加辐射率，散热器要垂直于冷却气流安装，以提高散热效率。此外还要注意在微机机箱上部、侧部和后部安装通风散热孔，尽快将机体内的热量排出，以保证微机内部的工作温度。

2.2 强制冷却

      强制冷却分为空气和液体2种方式。很多电子设备的冷却采用强制对流风冷却形式，这是因为空气强制对流冷却的换热量比自然对流和辐射的要大到10倍［4］。 ?空气强迫对流冷却技术较自然冷却减小了电子设备冷却系统的体积，使其具有更高的元器件密度和更高的热点温度。通常，风源的产生有2种方法： ①是在电子设备内部采用风扇（常见的有离心、轴流、螺旋桨等形式的风扇），以加大空气流量，强化电子器件的散热； ②是风源不在电子设备内部，例如，在车载或机载等移动式电子设备上，机体本身开设了多个通风孔，当车辆或飞机运行时，外部气源经通风孔鼓风，从而达到冷却的效果。

      目前液冷技术正沿着2个不同的方向发展［2］。一是用来处理机器产生的热量使器件温度和器件温差限制在可接受的水平上；另一个是使器件和电路处于极低的温度状态下以提高器件开关速度和降低金属布线电阻，从而提高电子设备的性能。超低温冷却技术为液冷应用开辟了一个新的领域，是在特定的条件下提高电子设备性能的有效手段。

      相变过程伴随有大量热量的释放和吸收，采用相变冷却的方法可以对电子设备进行有效的温度控制。利用相变材料的相变过程作为热控制的基本形式有2种：液体的气化和固体的熔化。

      液体的气化冷却是一种很有效的冷却方式，主要应用于高能量密度的部件或者处于常温蒸浴状态的电子器件。工作原理如图4所示。
      固体的熔化冷却是采用一种合适的材料作为冷却手段，如塑性化合物，当他从发热部件吸收大量的热量时就熔化。材料熔化时温度并没有升高，所吸收的热量转化为材料的熔化热，起到冷却发热电子部件的作用。这种冷却方法的优点是原理简单，并且不耗费能源。因为熔化过程是可逆的，若发热器件的温度降下来，则已融化的物质可以再凝固。缺点是冷却能力限制在吸热材料的热容量以内。这种冷却方法特别适用于处于脉冲工作状态下的电子器件设备。选择相变材料时应注意材料的熔化点，其数值应等于或接近于发热部件的正常工作温度。

2.3 其他冷却技术

2.3.1 热管技术

      热管是一种密封结构的空心管，管内含有蒸发时传递大量热量的液体以及冷凝时将液体带回起点的吸液芯。整个过程是在没有外部动力，没有机械运动零件，没有噪声的情况下完成的，而且设计极为简单有效，传递的热量比固态金属大几百倍［4］，因此热管在电子设备冷却技术领域得到了广泛的应用。
      热管是一个圆筒形的中空容器，在其管壁内填充烧结金属、金属毡等材料，主要是利用其毛吸力较大的特性，使液体由上面冷凝部回流到下部蒸发部。当蒸发部受热后使工作液蒸发，这种蒸汽快速地向冷凝部转移，并迅速带走热量，在冷凝段冷却而使蒸气凝聚成液体并积累。由于蒸发部的液体在缺乏毛吸力的作用下使工作液回流，这样工业液的蒸发(吸热过程)→蒸气的移动(输送热量)→凝结(放热过程)→液体回流，自动完成了容器的导热过程。这种冷凝散热器有很多优点，不仅导热性十分优异、热响应快、受热部分和散热部分可以隔离、构造简单、重量轻、使用寿命长、故障率低、可在无重力情况下使用、还具有热二极管及热开关的特性。特别是，一般的固体传导热量与传导通路长度呈反比例减少，而热管具有其他固体传热所不具有的特性。在电子设备中使用时，其一端可以连接多个发热部件，另一端可连接散热器、机壳其他冷却器件，散热效果十分理想。

2.3.2 热电制冷技术

      当电流通过N型半导体和P型半导体所形成的电偶时，一个接头上放出热量，而另一个接头上吸收热量。利用这一原理做成典型应用的有冷热水机、电子器件的冷却。热点制冷技术的制冷温度范围为-20 ℃~常温。应用热电制冷技术作为电子设备的冷却措施，设计方面应包括以下几方面内容：设置一个电子器件需要的冷面、提供一个比环境高的热表面以及设置一个从冷面至热面泵出热量的制冷系统。

      图5所示为一热电制冷器的示意图，通常由P型和N型半导体片、导电接片、电绝热片、冷板和散热器组成。由于单级热电制冷器的制冷量较小，气温差值为50 ℃~60 ℃。为了获得更大的制冷量和更低的制冷温度，常采用多级温差电器件串联、并联或者串并联结合的形式来对电子器件进行冷却。

3 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， FLUENT/Icepack，PHOENICS/Hobox，ANSYS，NATA，CINDA，NATFIN，CATS，TANS，FLOWTHERM，ICEPAK，CoolitTM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；国内某些科研院所也开展了这方面的工作，并开发了功能较强的热分析软件。

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。以空气强迫对流冷却电子器件为例，进行电子器件热分析的具体步骤如下：首先，根据电子设备的几何形状，设备进出口空气速度以及温度确定数值计算所需要的边界条件和初始条件；根据已知参数来建立空气流动的数学模型；再根据建立的数学模型以及电子设备的内部结构，利用有限元法或有限容积法等建立相关的非线性方程，编制程序并调试，也可以利用FLUENT等商业化软件来进行分析计算；最后是计算结果的后处理，将计算结果的文本文件转化为图形文件，生成可视化的速度温度图形。

4 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。