基于簡化模型的熱測試分析法及其應(yīng)用

/ 馭勢（上海）汽車科技有限公司

0 引言

隨著電氣化、網(wǎng)聯(lián)化、智能化的發(fā)展，電子設(shè)備的應(yīng)用越來越廣泛和不可替代，這一特點在汽車、軌道交通、航空航天等領(lǐng)域表現(xiàn)得尤為明顯。電子設(shè)備的集成度越來越高，大功耗器件的使用越來越廣泛，產(chǎn)品體積的小型化要求越來越高，產(chǎn)品的應(yīng)用環(huán)境越來越多樣化。這些發(fā)展趨勢使得電子設(shè)備過熱的問題越來越突出[1]。電子設(shè)備的失效有55%是溫度超過規(guī)定值引起的[2][3][4]，半導(dǎo)體元件的溫度每升高 10 ℃，可靠性降低 50%[1][3][5]，過熱嚴(yán)重限制了電子產(chǎn)品性能及可靠性的提高，也降低了設(shè)備的工作壽命[1]。解決電子設(shè)備過熱問題，提高產(chǎn)品可靠性的相關(guān)技術(shù)稱為電子設(shè)備熱技術(shù)，其主要包括：熱分析、熱設(shè)計及熱測試三大技術(shù)，這是發(fā)現(xiàn)和解決電子設(shè)備熱缺陷不可缺少的技術(shù)手段[1]。

熱分析技術(shù)又稱為熱模擬技術(shù)或熱仿真技術(shù)[6]，主要是基于有限元法或有限差分法對電子設(shè)備發(fā)熱或受熱的情況進(jìn)行模擬的分析方法，這種方法得出的模擬結(jié)果會與真實情況（或稱真值）存在較大的偏差，主要用于概念設(shè)計階段，便于設(shè)計人員把握大致的設(shè)計方向。熱設(shè)計技術(shù)是根據(jù)熱設(shè)計的準(zhǔn)則，尋找并采用與電子設(shè)備性能要求相匹配的散熱方法的技術(shù)，常用的散熱方法有自然冷卻、強(qiáng)迫風(fēng)冷、強(qiáng)迫液冷、蒸發(fā)冷卻、電熱冷卻等。熱測試技術(shù)是利用專用的設(shè)備模擬電氣設(shè)備的應(yīng)用環(huán)境（包括溫度、濕度等）、負(fù)載、信號等，并在此基礎(chǔ)上，對電子設(shè)備進(jìn)行熱測試，根據(jù)測試結(jié)果判斷電子設(shè)備熱性能是否達(dá)標(biāo)和存在的薄弱環(huán)節(jié)的技術(shù)。熱測試得到的測試結(jié)果與真實情況（或稱真值）偏差很小，是獲得電子設(shè)備運行溫度最準(zhǔn)確的手段，也是檢驗電子產(chǎn)品的熱性能指標(biāo)是否達(dá)到預(yù)定要求的最終手段[3]，也是獲得熱分析所需熱特性參數(shù)的唯一手段[1]。熱測試已經(jīng)成為現(xiàn)代電子設(shè)備開發(fā)必不可少的過程之一。

1 熱測試技術(shù)的現(xiàn)狀

電氣設(shè)備過熱問題的研究從20世紀(jì)60年代開始，1978年美國發(fā)布了《可靠性/熱設(shè)計手冊》，其中給出了熱設(shè)計的理論、實例及標(biāo)準(zhǔn)等。我國緊跟其后，于20世紀(jì)90年代發(fā)布了SJ 2709-1986 《印制板組裝件溫度測試方法》、SJ 3230-1989 《電子設(shè)備自然冷卻溫度測試方法》等指導(dǎo)性文件。經(jīng)過多年的發(fā)展，熱測試技術(shù)已經(jīng)取得了重大進(jìn)展，熱測試技術(shù)在航空航天、汽車、軌道交通、機(jī)械電子等各大領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，在電子設(shè)備的發(fā)展中起到了不可替代的作用。

對電子設(shè)備進(jìn)行熱測試的方法，主要分為接觸式和非接觸式兩種類型[3、7]。接觸式熱測試的方法主要包括熱電偶測試法、溫度計測試法、示溫漆/蠟測試法、集成電路測試法、熱敏電阻測試法、光纖測試法等。工程上準(zhǔn)確地定量測溫一般都用熱電偶測試法。非接觸式熱測試的方法主要指紅外測試法。紅外測溫容易受到被測物體的黑度（取決于材料本身性質(zhì)）、表面狀態(tài)、溫度等多種因素的影響，測量準(zhǔn)確度不高，一般只用于定性熱測試。

對于研發(fā)企業(yè)而言，電子設(shè)備的熱測試既可以委托專業(yè)的測試機(jī)構(gòu)進(jìn)行，也可以由企業(yè)內(nèi)部的熱測試實驗室自己進(jìn)行。為了提高電子設(shè)備的研發(fā)效率，企業(yè)一般都會建立自己的熱測試實驗室，以滿足產(chǎn)品研發(fā)階段快速摸底的熱測試需要。只有在產(chǎn)品驗收階段，才會委托第三方專業(yè)測試機(jī)構(gòu)進(jìn)行熱測試并出具測試報告。

企業(yè)常采用的熱測試方法，包括高低溫交變濕熱試驗箱與熱電偶溫度傳感器組合的測試的方法，對不同的電子設(shè)備進(jìn)行熱測試時需要搭建不同的熱測試臺架。圖1所示為一種典型的電子設(shè)備熱測試臺架。

圖1 熱測試臺架

經(jīng)過熱測試過程可以得到熱測試數(shù)據(jù)，熱測試數(shù)據(jù)可以通過計算機(jī)讀取和導(dǎo)出，導(dǎo)出的數(shù)據(jù)一般都以矩陣表格的形式進(jìn)行保存和展示。當(dāng)測試點比較多的時候，表格信息量會非常大，行數(shù)和列數(shù)比較多，甚至在顯示界面上一屏都無法展示全部信息。在復(fù)雜的堆疊設(shè)計中，由于在測試數(shù)據(jù)表格中，只顯示測試點代號及與之對應(yīng)的溫度值，而測試點代號與電子設(shè)備上實際測試點位置的對應(yīng)關(guān)系無法展示，導(dǎo)致數(shù)據(jù)讀取和理解非常困難。這極大地限制了熱測試的價值發(fā)揮，阻礙了跨專業(yè)的交流，探尋更加簡單直觀的熱測試數(shù)據(jù)分析與展示的方法變得極為迫切。

2 基于簡化模型的熱測試分析法

基于簡化模型的熱測試分析方法是一種數(shù)據(jù)分析與展示的方法，其目的是將熱測試過程獲取的數(shù)據(jù)以更加直觀、更加全面的方式進(jìn)行分析與展示，以便對電子設(shè)備的熱性能進(jìn)行理解、分析、判斷和優(yōu)化。

圖2所示的是一款電子控制器（電子設(shè)備）的3D結(jié)構(gòu)，其由金屬外殼、印刷電路板總成、導(dǎo)熱介質(zhì)等組成。其中，印刷電路板總成上有四款芯片或模塊A、B、C、D的功耗較大，進(jìn)行了特殊熱設(shè)計，其散熱路徑是：芯片/模塊→導(dǎo)熱介質(zhì)→導(dǎo)熱凸臺（金屬外殼）→散熱齒（金屬外殼）→周邊環(huán)境。

圖2 電子控制器3D結(jié)構(gòu)

針對圖2所示控制器進(jìn)行熱測試可以得到許多數(shù)據(jù)，按照現(xiàn)有的熱測試技術(shù)，可以從測試計算機(jī)端導(dǎo)出熱測試數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)是以矩陣式表格的形式呈現(xiàn)的，讀起來比較困難。

基于簡化模型的熱測試分析法相對于現(xiàn)有的熱測試法增加了構(gòu)建簡化模型、實物測試點位置與簡化模型對應(yīng)、熱測試結(jié)果在簡化模型上的展示等過程。構(gòu)建簡化模型是指，由圖2所示的控制器3D結(jié)構(gòu)等效轉(zhuǎn)化為圖3所示的平面模型。在簡化后的平面模型中，電子設(shè)備和電子元器件用不同大小的平面圖形（例如矩形框）表示。這些平面圖形只反映電子設(shè)備以及電子設(shè)備內(nèi)部與散熱相關(guān)的元器件的相對位置關(guān)系，而忽略元器件實際的尺寸大小。比如PCB用一個矩形框表示，芯片或模塊A、B、C分別各用一個矩形框表示，熱介質(zhì)材料用一個矩形框表示，以此類推，就將具有立體空間結(jié)構(gòu)的控制器構(gòu)建成了簡化模型。實物測試點位置與簡化模型對應(yīng)過程需要測試人員根據(jù)實際選取的測試點進(jìn)行操作，這個過程是為了將實物測試點位置與簡化模型上數(shù)據(jù)展示位置一一對應(yīng)起來。

圖3所示的畫面是采用基于簡化模型熱測試分析法得到的結(jié)果展示。其中，高低溫交變濕熱試驗箱、控制器外殼、導(dǎo)熱介質(zhì)材料、芯片或模塊、PCB等均進(jìn)行了簡化與等效處理。另外，芯片或模塊A、芯片或模塊B、芯片或模塊C、芯片或模塊D的位置也進(jìn)行了簡化和等效處理，放到了同一平面進(jìn)行展示，變得更加簡潔和直觀。

圖3 基于簡化模型的熱測試數(shù)據(jù)展示

采用基于簡化模型的熱測試分析法，可以快速且直觀地看出環(huán)境的溫度及濕度、某個發(fā)熱元件向外界環(huán)境散熱的路徑、每個傳熱節(jié)點的溫度，得到不同節(jié)點之間的溫度差，從而可以初步確定前后節(jié)點間的傳熱效率高低、熱阻是否過大。如根據(jù)控制器內(nèi)部空氣溫度T1與空氣溫度T2之間的溫差ΔT1的大小，可以初步確定控制器內(nèi)部空氣流通情況的好壞。根據(jù)凸臺D溫度與模塊D溫度之間的溫差ΔT2，可以判斷導(dǎo)熱墊 D（thermal pad D）的導(dǎo)熱效果是否良好?；诤喕Ｐ偷臒釡y試分析法，便于非熱測試專業(yè)人員對所討論問題的理解，從而提高溝通的效率，由此可對基于圖3所示的熱測試結(jié)果進(jìn)行技術(shù)分析，明確問題點，制訂解決方案。

3 基于簡化模型的熱測試分析法的應(yīng)用

基于簡化模型的熱測試分析法有諸多優(yōu)點，它可以在許多場景下以不同的形式應(yīng)用。主要體現(xiàn)在熱測試數(shù)據(jù)手工后處理、熱測試數(shù)據(jù)分析與展示的軟件、熱測試儀器的軟件集成等三個方面。

3.1 用于熱測試數(shù)據(jù)手工后處理

基于簡化模型的熱測試分析法可以應(yīng)用于熱測試數(shù)據(jù)手工后處理。

在這種應(yīng)用場景下，熱測試的方式可以是任意的，只要能夠獲得熱測試的數(shù)據(jù)即可。得到熱測試數(shù)據(jù)之后，可以借助紙和筆或者借助任何具有繪圖功能的軟件手工創(chuàng)建簡化模型，并將對應(yīng)的熱測試溫度數(shù)據(jù)填寫到簡化模型中，從而得到基于簡化模型的熱測試法的熱測試數(shù)據(jù)圖。工作人員可以基于得到的數(shù)據(jù)圖進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和交流。

3.2 用于熱測試數(shù)據(jù)分析與展示的軟件

基于簡化模型的熱測試分析法的第二種可能的應(yīng)用，是將基于簡化模型的熱測試分析法作為軟件架構(gòu)的一部分，將基于簡化模型的熱測試分析法封裝成熱分析軟件或APP。這樣的軟件可以預(yù)留數(shù)據(jù)接口，例如可以自定義簡化模型，可以手動輸入溫度值，也可以以矩陣表格的形式批量導(dǎo)入熱測試數(shù)據(jù)，軟件或APP接收并識別數(shù)據(jù)，根據(jù)預(yù)設(shè)的對應(yīng)關(guān)系，以類似圖3所示的形式顯示出來。這樣的軟件可以直接接入到熱測試系統(tǒng)（如無紙記錄儀）中，也可以在PC端或其他移動端下載安裝并獨立運行。

3.3 用于熱測試儀器的人機(jī)界面

基于簡化模型的熱測試分析法還可以用作熱測試儀器的軟件集成，集成到熱測試儀器軟件當(dāng)中。例如可以增加創(chuàng)建簡化模型功能模塊、實物測試點與簡化模型位置對應(yīng)功能模塊、熱測試數(shù)據(jù)顯示界面模塊等，測試人員在使用時可以根據(jù)需要和習(xí)慣自主選取相應(yīng)的功能模塊。

采用集成了基于簡化模型的熱測試分析法功能模塊的熱測試儀器進(jìn)行熱測試時，測試人員可以在測試開始前，在計算機(jī)系統(tǒng)中創(chuàng)建簡化模型，進(jìn)行實物測試點與簡化模型對應(yīng)，然后正式開始熱測試，由儀器自動輸出基于簡化模型的熱測試分析法的熱測試數(shù)據(jù)展示圖。

如果要將基于簡化模型的熱測試分析法用于熱測試儀器的人機(jī)界面的一種，那么必須事先對熱測試設(shè)備軟硬件進(jìn)行一些升級，比如要能夠保證每一個測溫點與人機(jī)界面上的顯示區(qū)一一對應(yīng)，以保證系統(tǒng)可用。

4 結(jié)語

電子設(shè)備在居家、出行、醫(yī)療、辦公等各個領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，尤其是在智能化、網(wǎng)聯(lián)化呼聲越來越高的汽車行業(yè)，其對電子設(shè)備的可靠性要求更高，而熱性能又是決定電子設(shè)備可靠性優(yōu)劣的重要因素，熱分析、熱設(shè)計和熱測試等熱技術(shù)的提高，對于提高電子設(shè)備可靠性至關(guān)重要。這里提出的基于簡化模型的熱測試分析法可以提高熱技術(shù)研究的效率，可以提高對電子設(shè)備熱測試數(shù)據(jù)理解和分析的效率，快速找到問題點并有針對性地制訂解決方案。