電子設(shè)備熱仿真及熱測試技術(shù)研究

盧錫銘

（江蘇自動化研究所，連云港222006）

0 引 言

隨著電子設(shè)備不斷向小型化、多功能化和高性能化方向發(fā)展，電子設(shè)備內(nèi)器件的功耗和熱流密度不斷增加，電子設(shè)備過熱問題越來越突出，如果不能有效進行散熱設(shè)計，將直接影響系統(tǒng)可靠性和工作壽命。國外統(tǒng)計資料表明，電子元器件溫度每升高2℃，可靠性下降10%，溫升50℃時的壽命只有溫升25℃時的1／6，高溫因素會大大增加電子產(chǎn)品的故障率，熱設(shè)計一直是電子設(shè)備設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)之一。

傳統(tǒng)熱設(shè)計方法中設(shè)計師依靠以往經(jīng)驗設(shè)計樣機，通過樣機的各種試驗和測試發(fā)現(xiàn)設(shè)計問題和缺陷，然后進一步優(yōu)化改進，往往需多次反復(fù)才能基本定型，已難以滿足現(xiàn)代電子設(shè)備周期短、難度高的研制要求。本文以某一電子設(shè)備的研制過程為例，說明了熱仿真技術(shù)對提高產(chǎn)品可靠性的優(yōu)勢，通過實際產(chǎn)品的熱測試結(jié)果，分析了熱仿真結(jié)果與熱測試結(jié)果誤差產(chǎn)生的原因，闡述了熱仿真和熱測試的互補性。

1 電子設(shè)備熱仿真與可靠性

電子設(shè)備種類繁多，使用環(huán)境復(fù)雜，尤其在國防領(lǐng)域使用的抗惡劣環(huán)境電子設(shè)備，不但需要防鹽霧、防潮濕、抗振動，還要體積小、重量輕、散熱性能良好，為此抗惡劣環(huán)境電子設(shè)備通常采用全封閉結(jié)構(gòu)，電子設(shè)備內(nèi)器件過熱問題相對工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的電子設(shè)備更加突出。

解決電子設(shè)備過熱問題以提高產(chǎn)品可靠性的相關(guān)技術(shù)稱為電子設(shè)備散熱技術(shù)，包括熱設(shè)計、熱仿真及熱測試，是發(fā)現(xiàn)、解決電子設(shè)備熱缺陷、提高電子設(shè)備可靠性不可缺少的技術(shù)手段。熱設(shè)計、熱仿真及熱測試技術(shù)的集成以及在電子產(chǎn)品開發(fā)中的并行應(yīng)用，可以極大地縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，提高產(chǎn)品的可靠性，保證電子產(chǎn)品的綜合性能［1］。

熱仿真技術(shù)是電子設(shè)備散熱技術(shù)的重要環(huán)節(jié)，可以在方案階段對熱設(shè)計方案可行性、有效性進行全面分析［2］，提高產(chǎn)品可靠性和一次設(shè)計成功率。

2 熱仿真優(yōu)勢和實際應(yīng)用

以計算流體動力學(xué)（CFD）為核心的熱仿真軟件、計算機輔助工程（CAE）方法使得設(shè)計師能夠運用虛擬仿真技術(shù)構(gòu)造虛擬樣機，優(yōu)化電子設(shè)備的熱設(shè)計，借助于熱仿真軟件強大的后處理能力，幫助設(shè)計師較為準(zhǔn)確地預(yù)測散熱系統(tǒng)的效果，找到影響系統(tǒng)散熱能力的關(guān)鍵點，并可快速對優(yōu)化措施的效果進行模擬，對影響系統(tǒng)散熱效果的多種因素及影響程度進行定量的綜合分析，為選擇費效比最優(yōu)的散熱措施提供依據(jù)，減少設(shè)計、生產(chǎn)、再設(shè)計和再生產(chǎn)的費用，縮短高性能電子設(shè)備的研制周期［3］。因此，在設(shè)計階段對產(chǎn)品熱設(shè)計進行熱仿真已經(jīng)成為設(shè)計過程中必不可少的一個環(huán)節(jié)。

2.1 電子設(shè)備熱仿真實例

某密閉電子設(shè)備的模型整機樣圖如圖1所示，忽略內(nèi)部發(fā)熱量較小的器件后主要功率器件的熱設(shè)計功率（TDP）值如表1所示。

圖1 電子設(shè)備整機樣圖

表1 關(guān)鍵器件TDP值

Icepak是一個專業(yè)的電子設(shè)備熱仿真軟件，能夠解決系統(tǒng)級、部件級、封裝級的熱仿真問題［4］。經(jīng)簡化后某密閉電子設(shè)備的熱仿真模型如圖2所示，利用Icepak軟件經(jīng)設(shè)定初始參數(shù)、網(wǎng)格劃分、問題求解和結(jié)果顯示過程，在環(huán)境溫度55℃時初始虛擬樣機溫度云圖如圖3所示。

圖2 電子設(shè)備熱仿真模型

圖3 初始虛擬樣機的溫度云圖

由3圖可看出，初始散熱方案中虛擬樣機CPU最高核心溫度為104.2℃，超過了器件可靠性工作上限溫度95℃，其它器件的溫度均不超過85℃，能滿足設(shè)計要求。由此需對初始方案進行熱設(shè)計優(yōu)化，提高散熱效率，降低關(guān)鍵器件溫度。

2.2 虛擬樣機優(yōu)化

平板熱管是一種新型高效、依靠自身內(nèi)部工作液體相變換熱的傳熱元件，具有等溫性好、可靠性高、導(dǎo)熱系數(shù)高等特性，還有“綠色”、無噪聲、結(jié)構(gòu)簡單、環(huán)境適用性強等特點，已在地面電子設(shè)備、航空電子設(shè)備、人造衛(wèi)星等多種環(huán)境下成功使用［5］。利用平板熱管能有效對集中熱源進行均溫化，減小溫度梯度，是目前很多緊湊型電子設(shè)備散熱時常采用的思路與方法。

為進一步提高以上密閉電子設(shè)備的散熱效果，降低功率器件至最終熱沉的等效熱阻，采用在CPU與左右壁板間增加平板熱管的熱設(shè)計優(yōu)化方法。為簡化分析，將平板等效為高熱導(dǎo)率的導(dǎo)熱板［6］，利用Icepak軟件進行熱仿真得到改進模型的溫度云圖如圖4所示。

圖4 優(yōu)化虛擬樣機溫度云圖

由圖4可看出，通過采用在初始虛擬樣機基礎(chǔ)上增加高導(dǎo)熱系數(shù)的平板熱管優(yōu)化措施，CPU最高核心溫度從100.8℃降低到94.6℃，達到了均溫化效果，較好地解決了CPU器件溫度過高的問題。

3 熱測試裝置及測試驗證

對電子設(shè)備進行熱測量的方法主要分為接觸式和非接觸式2種。

接觸式測溫法具有精確、可靠、直觀等特點，對封閉在腔體內(nèi)的各種組件、器件的溫度測量和大空間、遠距離、多點的溫度測量大都采用這種方法。但這種方法在多點的溫度測量中，傳感器安放繁瑣復(fù)雜、工作量大、檢測效率低。

非接觸式測量法主要是紅外測溫法，但由于被測物體的黑度受材料本身的性質(zhì)、表面狀態(tài)、溫度等多種條件的影響，不易確定，因而影響其測量精度；同時，只能測量相對測量儀表面的溫度，所以其使用場合受到測量空間的限制。

按優(yōu)化方案完成以上電子設(shè)備設(shè)計、加工、組裝后，在環(huán)境溫度55℃時，順利通過了高溫環(huán)境試驗的相關(guān)條目和120h可靠性考核，達到了系統(tǒng)熱控制要求。使用美國Degree Control公司熱測試系統(tǒng)ATM 2400和AccuSenseUTS1000型接觸式熱電偶傳感器，電子設(shè)備主要器件表面溫度如表2所示。

表2 關(guān)鍵器件熱仿真溫度與測試結(jié)果比較

由表2可知，虛擬樣機熱仿真結(jié)果和實際測量值較接近，最大誤差為5.8%，滿足工程設(shè)計要求。

4 熱仿真誤差分析

4.1 模型簡化誤差

對電子設(shè)備進行熱仿真時，需要使用特定類型的部件模擬電子設(shè)備實際結(jié)構(gòu)，為減少建立虛擬樣機的時間和模型規(guī)模，進行了相應(yīng)的簡化，虛擬樣機結(jié)構(gòu)與電子設(shè)備結(jié)構(gòu)存在一定誤差。

4.2 邊界條件誤差

熱源在熱仿真中具有重要的作用，但在虛擬樣機熱仿真分析中，熱源實際功耗較難準(zhǔn)確確定，一般采用發(fā)熱器件熱設(shè)計功率值，虛擬樣機熱源設(shè)定功耗與電子設(shè)備熱源功耗存在一定誤差。

在對電子設(shè)備進行熱仿真時，設(shè)計人員將設(shè)定邊界條件、求解域等，這些都是對電子設(shè)備實際情況進行的模擬，虛擬樣機邊界條件與電子設(shè)備邊界條件存在一定誤差。

4.3 網(wǎng)格誤差

虛擬樣機熱仿真結(jié)果的精確度和可靠度不僅與模型建立方法、經(jīng)驗有關(guān)，而且與網(wǎng)格質(zhì)量密切相關(guān)。虛擬樣機的網(wǎng)格是對電子設(shè)備模型、邊界條件的數(shù)值模擬，網(wǎng)格與電子設(shè)備模型、邊界條件存在一定誤差。

4.4 傳感器安裝誤差

電子設(shè)備熱測試中，接觸式熱電偶傳感器測試點安裝位置與虛擬樣機熱仿真結(jié)果取值位置存在誤差。雖然目前商用熱仿真軟件均能在方案階段比較真實地模擬系統(tǒng)的熱狀況，對產(chǎn)品熱設(shè)計方案的可行性進行評估，但由于流體理論研究的局限性和仿真模型的復(fù)雜性，即使模型精確、工程師經(jīng)驗豐富，測試結(jié)果和熱仿真結(jié)果依然可能存在較大誤差。為了達到較好的效果，電子設(shè)備熱仿真一定要與實驗測試相結(jié)合、相互補充。

5 結(jié)束語

高熱流密度的熱控技術(shù)是電子設(shè)備的難點和關(guān)鍵技術(shù)，本文通過對某一抗惡劣環(huán)境電子設(shè)備的研制，闡述了熱仿真技術(shù)對提高電子設(shè)備可靠性的重要性，并對熱仿真和熱測試的結(jié)果進行了定量對比，分析了熱仿真誤差產(chǎn)生的原因。

［1］呂永超，楊雙根.電子設(shè)備熱仿真、熱設(shè)計及熱測試技術(shù)綜述及最新進展［J］.電子機械工程，2007，23（1）：5－6.

［2］平麗浩.雷達熱控技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展方向［J］.現(xiàn)代雷達，2009，31（5）：1－6.

［3］王建峰.固態(tài)有源相控陣?yán)走_熱控制技術(shù)［J］.電子機械工程，2007，23（6）：27－32.

［4］李琴，朱敏波，劉海東.電子設(shè)備熱仿真技術(shù)及軟件應(yīng)用［J］.計算機輔助工程，2005，14（2）：51－52.

［5］陳平，張一軍，朱鐳.熱管在典型密封電子設(shè)備熱設(shè)計中的應(yīng)用［J］.航空計算技術(shù)，40（4）：83.

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