電子設(shè)備熱分析研究

王守龍

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

關(guān)鍵詞 傳熱;散熱;傳熱機理;散熱技術(shù);熱分析;設(shè)備管理

引言

隨著科學技術(shù)的快速發(fā)展電子技術(shù)在各個領(lǐng)域得到了廣泛的應用。電子元器件朝微型化、小型化方向發(fā)展，電子設(shè)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(guān)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(shè)備的平均使用壽命也會隨著工作溫度的升高而下降。據(jù)統(tǒng)計，電子設(shè)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(jīng)成為制約電子產(chǎn)品可靠性的重要關(guān)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(shè)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(zhì)進行的。對流通常是利用風扇來驅(qū)動空氣流動，而散熱器則利用對流將熱量轉(zhuǎn)移出熱敏區(qū)域。

傳導的本質(zhì)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(zhì)中存在溫度梯度時，會發(fā)生熱傳導。根據(jù)傅立葉定律，熱通量可由溫度梯度乘以導熱系數(shù) 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(fā)生轉(zhuǎn)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(nèi)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(shù)。

輻射作為第三種傳熱機制。輻射發(fā)生在溫度不同的不透明表面之間，有無中間介質(zhì)均可發(fā)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(shù)，σ[w/（m2·k4）] 為斯特藩- 玻爾茲曼常數(shù)，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(shù)

（1）機箱自然冷卻技術(shù)。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?？稍龃髾C箱散熱面積或者機箱做開孔設(shè)計等措施來加強機箱散熱效果。

（2）強制對流冷卻技術(shù)。通過加裝散熱風扇、空調(diào)等設(shè)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(tài)金屬散熱技術(shù)。金屬熱導率一般遠高于非金屬材料，散熱技術(shù)主要是利用了低熔點的金屬或其合金等來構(gòu)成一種冷卻介質(zhì)，主要利用這種介質(zhì)的低熔點、高沸點、高比熱容、大熱導率并且該介質(zhì)具有一定的流動性等特性來現(xiàn)實電子芯片散熱的作用。

（4）納米流體散熱技術(shù)。作為一種新型高傳熱性能、高效率的能量輸運工質(zhì)納米流體如今迅速發(fā)展，該納米流體可有效提高基液的傳熱性能，對熱系統(tǒng)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(tǒng)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(lǐng)域具有十分廣闊的應用前景和潛在的重大經(jīng)濟價值，納米流體散熱技術(shù)被稱之為未來冷卻散熱技術(shù)。

3結(jié)束語

通過目前電子設(shè)備在各個領(lǐng)域的廣泛應用、發(fā)展趨勢、傳熱機理和散熱技術(shù)分析，對電子設(shè)備傳熱機理和散熱技術(shù)有了一個新的認識，對以后在生產(chǎn)實踐中電子設(shè)備設(shè)計、制造、生產(chǎn)、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(huán)境計算機熱仿真[J].電腦知識與技術(shù)，2016，12（7）：229-231.

[3] 程尚模.傳熱學[M].北京：高等教育出版社，1990：61.