民航維修電子元器件散熱方法研究

白吉賓

摘要：民航電子設(shè)備的大發(fā)展導(dǎo)致數(shù)量巨大的電子元器件需要進(jìn)行維護(hù)與維修。數(shù)據(jù)表明，損壞的電子設(shè)備中55%的原因都與溫度相關(guān)。本文運(yùn)用擬回路方法，采用熱分析軟件FLoTHERM PCB對(duì)民航維修、改裝設(shè)計(jì)中的元器件散熱進(jìn)行仿真，分析電子設(shè)備的溫度控制以及熱量傳導(dǎo)，并應(yīng)用當(dāng)前研究中不同的散熱和冷卻方法對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)單優(yōu)化。

關(guān)鍵詞：熱分析；FLoTHERM PCB；電子元器件；散熱

Keywords：thermal analysis；FLoTHERM PCB；electronic components；heat dissipation

0 引言

民用航空的蓬勃發(fā)展帶來(lái)了新技術(shù)在新機(jī)型上的大量使用，機(jī)載電子設(shè)備的使用和改裝頻率急劇上升。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，電子設(shè)備的損壞率和更換率相對(duì)于飛機(jī)其他部件要高出很多，且多數(shù)損壞與其溫度相關(guān)?？墒?，針對(duì)電子設(shè)備的維修大多僅是查詢手冊(cè)更換相應(yīng)器材后進(jìn)行測(cè)試，合格后即完成了維修工作，隱藏在電子設(shè)備損壞背后的真正原因卻沒(méi)有得到總結(jié)和提煉，如電子設(shè)備熱失效問(wèn)題往往被忽視。熱失效問(wèn)題并不只存在于航空領(lǐng)域，只是由于溫差大的特點(diǎn)使得此問(wèn)題在航空領(lǐng)域的影響尤為突出。據(jù)統(tǒng)計(jì)，半導(dǎo)體材料的元器件溫度每升高10℃，實(shí)際功效就下降五成，其中的根本問(wèn)題就是電子設(shè)備的熱失效。

對(duì)電子設(shè)備進(jìn)行熱分析可以提前預(yù)知其溫度的分布以及功耗的大小，在此基礎(chǔ)上對(duì)元器件的合理使用進(jìn)行驗(yàn)證和優(yōu)化，無(wú)論在維護(hù)方面還是設(shè)計(jì)層面都有著不可替代的作用。本文通過(guò)采用FLoTHERM PCB進(jìn)行熱仿真試驗(yàn)，將試驗(yàn)結(jié)果與理論分析進(jìn)行對(duì)照，以此探索熱分析在航空器持續(xù)適航維修工作中的可行性和必要性。

1 熱分析的基礎(chǔ)知識(shí)

1.1 熱分析概述

熱分析也叫熱仿真設(shè)計(jì)，是通過(guò)分析元器件物理性質(zhì)對(duì)溫度變化的影響，將抽象的熱問(wèn)題具體化數(shù)字化，從而方便地對(duì)相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行研究的一種分析方法。熱分析技術(shù)可以幫助維修、設(shè)計(jì)人員預(yù)知航空器上元器件的溫度以及功耗情況，從而對(duì)元器件進(jìn)行合理選擇、布局甚至更換。

熱分析的主要研究對(duì)象為熱量的轉(zhuǎn)移。物體間的熱量流通與交換一般通過(guò)以下三種途徑實(shí)現(xiàn)：熱量的傳導(dǎo)、熱量的輻射、熱量的對(duì)流。

熱傳導(dǎo)是一種十分常見(jiàn)的熱轉(zhuǎn)移方式，即熱從熱量高的物體轉(zhuǎn)移到熱量低的物體，這是物體自身的物理特性，導(dǎo)熱介質(zhì)可以是固體、液體和空氣。在實(shí)際操作中，熱傳導(dǎo)通常作為輔助散熱應(yīng)用。

熱輻射基于電磁波原理，是物體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中其自身攜帶熱量經(jīng)由電磁波反射傳輸?shù)狡渌胤饺サ倪^(guò)程。熱量的對(duì)流與傳導(dǎo)依賴如空氣或液體等外物，但是熱輻射卻不同，不需要空氣或液體，即使在太空中仍會(huì)有熱量的輻射，因此熱輻射能夠覆蓋較遠(yuǎn)的距離，且輻射的距離與物體自身所攜帶的熱量呈正相關(guān)關(guān)系。但是，只有在溫度極高時(shí)才會(huì)考慮熱輻射。

熱對(duì)流則是非靜止的物體在遇到氣體或液體時(shí)在觸碰界面發(fā)生熱量的轉(zhuǎn)移與交換，其發(fā)生的條件需要至少兩種不同的熱量承載體的交接。熱對(duì)流大體可以分為兩種：一種是人工對(duì)流，即通過(guò)人工的干預(yù)，如風(fēng)扇、鼓風(fēng)機(jī)等設(shè)施，使熱量按照人為的設(shè)定來(lái)流動(dòng)；另一種是自然對(duì)流，這是由于熱量所在的場(chǎng)因密度不平衡而進(jìn)行的自發(fā)調(diào)整所導(dǎo)致的，一般分為大環(huán)境對(duì)流和小環(huán)境對(duì)流，當(dāng)元器件所處環(huán)境之間的距離比小環(huán)境對(duì)流的距離還要小時(shí)則不考慮對(duì)流。對(duì)流是本次模擬試驗(yàn)中利用的主要熱轉(zhuǎn)移理論。

1.2 熱分析方法及模擬軟件的選擇

常用的熱分析方法有模擬電路法、函數(shù)關(guān)系法、數(shù)值求解法和流體動(dòng)力模型（CFD）等。本仿真試驗(yàn)采用模擬電路法。該方法通過(guò)軟件的模擬，可以對(duì)不同難度層級(jí)的電子設(shè)備進(jìn)行分析，并獲得較為精確清晰的結(jié)果。在選擇模擬軟件方面，由于當(dāng)前流行的熱分析軟件較多，如Ansys、FloTHERM、Icepack等，根據(jù)軟件的特點(diǎn)以及佐證熱分析運(yùn)用于電子設(shè)備的可行性，本研究選擇FloTHERM旗下的一款子軟件FloRHERM PCB進(jìn)行仿真試驗(yàn)。該軟件的特點(diǎn)是：可以通過(guò)仿真來(lái)觀測(cè)元器件及其節(jié)點(diǎn)的溫度；可以與其他主流CAD軟件進(jìn)行仿真數(shù)據(jù)的導(dǎo)入；能夠進(jìn)行多層面整合顯示。

2 仿真實(shí)例應(yīng)用

2.1 熱失效仿真模擬

采用模擬電路法，以FLoTHERM PCB（版本7.1）為熱分析軟件，在控制一個(gè)模擬實(shí)例中變量的同時(shí)，解析相應(yīng)熱失效變化情況，從而分析和解決電子元器件的溫控問(wèn)題。

首先，通過(guò)FLoTHERM的建模功能，參照航空維修中常見(jiàn)的元器件布局，建立虛擬的研究對(duì)象——多元器件仿真電路，如圖1、圖2所示。該電路由兩個(gè)功能組F1和F2構(gòu)成，分別模擬航空維修中不同類型的元器件。F1功能組為解析引擎組（Parsing Engine），F(xiàn)2功能組為讀取和執(zhí)行組（Fetch&Execution），其中，F(xiàn)1功能組包含2個(gè)5W的解析器（U1、U2）和3個(gè)4W的簡(jiǎn)單熱阻模型元件（U3、U4、U5）。

使用模擬運(yùn)行功能，給該仿真電路供電，軟件模擬出功能組F1中元件的平均溫度Tav，如圖3所示，U3、U4、U5的溫度均已超過(guò)100℃，U3、U4的溫度已經(jīng)高達(dá)125℃，原本的內(nèi)設(shè)溫度（Inlet Temperature）僅為37℃。溫度變化相差近100℃，這必然造成U3、U4、U5功能的下降。

2.2 問(wèn)題分析及優(yōu)化

操作軟件對(duì)仿真電路的溫升進(jìn)行模擬控制。方法如下：1）在創(chuàng)建模式中選擇功能組F1；2）在屬性表中，選擇Z軸旋轉(zhuǎn)180°選項(xiàng)，將F1中的所有組件旋轉(zhuǎn)180°。測(cè)試結(jié)果如圖4所示。最高溫度已經(jīng)由≥125°變?yōu)椤?20°，即元器件的布局稍做改動(dòng)，得到的改變結(jié)果卻是卓有成效的，產(chǎn)生此差異的原因也可在仿真試驗(yàn)中得到驗(yàn)證。

圖5為改變布局之前電路上方的氣流說(shuō)明圖，箭頭為氣流流動(dòng)方向。從圖中可以看出，氣流是沿著Y軸的正方向進(jìn)行流動(dòng)的。圖6與圖7分別是將F1中的組件按Z軸旋轉(zhuǎn)180°之后的氣流圖與F1元器件的3D圖。從圖中可以看到，U1、U2比較“高”“胖”，U3、U4、U5相對(duì)較“矮”“瘦”，調(diào)整前，U1、U2擋住了一大部分通向U3、U4、U5的氣流，熱量無(wú)法有效地被氣流帶走。這也就是調(diào)整后U3、U4、U5溫度有所下降的原因。

旋轉(zhuǎn)Z軸對(duì)布局進(jìn)行優(yōu)化只是元器件布局優(yōu)化方法中的冰山一角。設(shè)計(jì)中可根據(jù)實(shí)際情況對(duì)元器件進(jìn)行合理排布，盡可能建立低熱阻的熱通道，在不花費(fèi)任何財(cái)力、不使用任何散熱器件的情況下，通過(guò)最為自然合理的方法為PCB板或元器件進(jìn)行散熱。

因此，根據(jù)軟件模擬解析的結(jié)果，總結(jié)出維修活動(dòng)中通風(fēng)布局時(shí)通常采用的方法：在冷卻路徑固定時(shí)，1）通常將溫度高、輻射大、體積較大的元器件單獨(dú)分配至散熱路徑的后方，避免擋住體積小的元器件；2）盡量保證散熱通道短，如果通路較長(zhǎng)，預(yù)想的風(fēng)速或風(fēng)量效果會(huì)在通路后部大打折扣；3）存在液體的元器件應(yīng)盡可能放置在離熱源較遠(yuǎn)處；4）熱量較大的元器件應(yīng)盡量安置在整體布局的邊界或四周。

實(shí)際維修活動(dòng)中最常見(jiàn)的情況是元器件的布局已經(jīng)固定，但是冷卻布局可變。在這種情況下，應(yīng)改變強(qiáng)制冷卻路徑，使其盡量滿足元件布局可變時(shí)的條款，以達(dá)到最佳散熱條件。

此外，不能忽視元器件另一個(gè)熱失效關(guān)鍵點(diǎn)——部件節(jié)點(diǎn)和外殼體的溫度控制。采用相似的方法對(duì)仿真電路進(jìn)行測(cè)試。由于U3、U4、U5單元體為熱阻模型元件，對(duì)節(jié)點(diǎn)溫度以及外殼溫度的變化較為敏感，故只分析這些單元體的相應(yīng)參數(shù)就可得出結(jié)論。模擬運(yùn)行仿真測(cè)試后得到U3、U4、U5的節(jié)點(diǎn)溫度分別為116℃、118℃和112℃，均大于Tj_ max90℃；此時(shí)U3、U4、U5的外殼溫度分別為115℃、115℃和111℃，也均超過(guò)Tc_max75℃。運(yùn)用FLoTHERM PCB主要功能中計(jì)算元器件安全功率的功能，輸入相應(yīng)數(shù)據(jù)，軟件會(huì)對(duì)方案進(jìn)行自動(dòng)修正并求解所選元器件的安全功率以及相對(duì)應(yīng)的結(jié)點(diǎn)溫度Tj_max。得到U3、U4、U5的節(jié)點(diǎn)溫度為90℃≤Tc_max，雖然節(jié)點(diǎn)溫度滿足要求，但是三者的實(shí)際功率從最初的4W下降到2W左右，說(shuō)明如果不對(duì)元器件節(jié)點(diǎn)進(jìn)行溫度控制，U3、U4、U5的實(shí)際安全功率只能在2W左右，這顯然是不可接受的。以上模擬可使工作人員對(duì)元器件的安全功率有了更為準(zhǔn)確的預(yù)知。

為了使實(shí)際的安全功率逐步提高，直到滿足要求，需針對(duì)節(jié)點(diǎn)施加額外的冷卻。常用的冷卻方法有增加強(qiáng)制空氣冷卻法、加裝散熱元件法等，實(shí)際維修和改裝工作中最易于實(shí)現(xiàn)的是增加強(qiáng)制空氣冷卻法，即通過(guò)人為調(diào)節(jié)空氣的流速和流量，使特定區(qū)域的空氣按照預(yù)定的方式流動(dòng)，進(jìn)而達(dá)到快速高效降低節(jié)點(diǎn)溫度，保證元器件功率的目的。

經(jīng)過(guò)強(qiáng)制冷卻后，U5的實(shí)際安全功率由3.78W上升至6.47W，已經(jīng)超過(guò)了熱分析之前預(yù)計(jì)的功率4W；U3、U4的實(shí)際功率也有小幅上升。強(qiáng)制空氣冷卻法的效果雖然不如加裝散熱器，但在特定環(huán)境下已是十分有成效的。實(shí)際運(yùn)用中，一些體積較小的元器件不方便安裝散熱器，或者受元器件外殼影響而無(wú)法安裝散熱器時(shí)，強(qiáng)制空氣冷卻法就是最佳選擇。條件允許時(shí)還可以增加熱孔，在減小熱阻的同時(shí)增大散熱面積，使部分熱量通過(guò)熱孔傳遞到導(dǎo)熱層，再被排出布局外。另外，銅作為導(dǎo)熱能力絕佳的金屬，在實(shí)際改裝工作中可將其與熱孔結(jié)合使用，起到更好的散熱作用，如在熱孔內(nèi)鍍銅，進(jìn)一步提升熱孔的效率。

3 結(jié)束語(yǔ)

在進(jìn)行仿真試驗(yàn)之前，綜合分析了常用的熱分析軟件，結(jié)合自身實(shí)際情況決定選用FLoTHERM PCB軟件。通過(guò)對(duì)資料的查找與整理，實(shí)現(xiàn)了本次的仿真試驗(yàn)，其主要?jiǎng)?chuàng)新成果如下：

1）軟件的選擇。FLoTHERM PCB是一款專項(xiàng)研究PCB板電子元器件溫度問(wèn)題的軟件，研究范圍雖然相對(duì)狹窄，但更為簡(jiǎn)單明了。

2）仿真方法的選擇。本試驗(yàn)選擇模擬電路法進(jìn)行仿真，其中的多數(shù)仿真可以共享一個(gè)電路，使得前后的對(duì)比性極強(qiáng)，可以幫助工作人員清晰地了解到如何通過(guò)FLoTHERM PCB軟件、運(yùn)用不同的方法將模擬環(huán)境中的溫度控制到符合要求的標(biāo)準(zhǔn)。

通過(guò)采用擬回路的方法對(duì)模擬的維修環(huán)境進(jìn)行熱分析，在仿真過(guò)程中采用對(duì)照的思路一步步地對(duì)相關(guān)元器件進(jìn)行優(yōu)化、溫控，最終使得元器件的功率不但滿足且超出了預(yù)設(shè)功率。以上分析客觀地證明了熱分析在維修中應(yīng)用的可行性，同時(shí)也佐證了該方法能夠在一定程度上解決維修工作中遇到的溫度問(wèn)題，大大提高了電子設(shè)備的壽命和效率。

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