电子产品热设计工作方法讨论

朱嘉伟，解江，张泽，李骞，高军

（1.工业和信息化部电子第五研究所，广东 广州 510610；2.广东省电子信息产品可靠性技术重点实验室，广东 广州 510610；3.广州市电子信息产品可靠性与环境工程重点实验室，广东 广州 510610；4.华南理工大学自动化科学与工程学院，广东 广州 510640）

电子产品热设计工作方法讨论

朱嘉伟1，2，解江1，2，张泽1，2，李骞1，3，高军4

（1.工业和信息化部电子第五研究所，广东 广州 510610；2.广东省电子信息产品可靠性技术重点实验室，广东 广州 510610；3.广州市电子信息产品可靠性与环境工程重点实验室，广东 广州 510610；4.华南理工大学自动化科学与工程学院，广东 广州 510640）

在电子产品功耗日益增大而体积要求日益微小化的背景下，企业开展热设计工作将面临巨大的挑战，通过分析国内企业在开展电子产品热设计工作时存在的共性问题，并结合电子产品热设计工作的特点，从热设计技术和管理层面上提出一套系统化的热设计流程方法，为企业开展相关电子产品的热设计工作提供了一个参考。

热设计；电子产品；管理

0 引言

温度是影响电子产品可靠性的关键环境应力，引起电子产品故障的主要环境应力如图1所示。从图1可以看出，55%的电子产品的故障都与温度有关，因此，做好电子产品的热设计工作，对于提升电子产品的整体可靠性水平有着至关重要的作用[1]。而且随着现代电子产品性能的不断提高，其所需功耗也在不断地增加，市场对于电子产品设备便携化和微型化的要求也在不断地提升，对于企业来说，在这样的背景下，做好产品的热设计工作是一个巨大的挑战[2]。

图1 电子产品故障的主要原因

本文通过分析企业在开展电子产品热设计工作时共同存在的问题，结合产品热设计工作的特点，综合热设计计算、仿真、试验、定型量产和管理5部分内容提出了一套系统化的热设计流程化方法，并指出了这5部分热设计工作的开展思路和具体内容，为相关企业系统化地开展电子产品的热设计工作提供了一个参考。

1 企业开展热设计工作时存在的问题

一个良好的热设计方案能够极大地提高产品的可靠性水平，因此大部分企业会专门针对产品热设计环节开展一定的设计与考核试验工作，但是，在为企业提供相关热设计技术服务的过程中，笔者发现，企业设计的方案往往达不到良好的热设计效果，通过分析，企业在开展热设计工作时普遍存在以下几个问题。

a）在方案设计初期侧重电路设计和结构设计，对热设计考虑地不足，热设计工程师与电气、结构工程师缺乏沟通，从而导致了产品热设计方面的考虑不足，增加了后期修改产品的时间和金钱成本。

b）在初样设计阶段，企业缺乏用于指导产品的热设计工作的相关设计指南，部分从事热设计的工程师不了解或不熟悉相关散热部件的设计计算方法，例如：冷却方案计算、散热器计算和风扇计算的方法等。

c）大部分技术人员都只是依靠经验进行产品的热设计工作，较少使用热仿真工具对方案进行仿真验证与对比，普遍使用热试验来验证方案的效果，增加了热设计的时间和资源成本。

d）有开展仿真工作的企业缺少仿真所需的信息与计算方法，例如：材料信息、环境信息、器件结构信息和器件功耗等的计算方法，从而导致了仿真结果不理想，误差较大。

e）在设计阶段针对产品的热试验方面的工作做得不够全面，对产品的热特性没有完全掌握，导致流程化试验千遍一律，没有针对新品的设计特点有偏向性地对试验项目进行修正，不仅使得试验没有得到预期的效果，而且增加了试验的时间成本。

f）非接触式热测试方法 （例如：红外热像仪等）没有得到较好的利用，导致一些很容易被发现的潜在热设计缺陷没有被发现，从而影响了产品的可靠性。

g）大部分企业没有针对热设计方案建立包含所有参与设计的技术人员 （电、结构和热）在内的评审体制和系统化的热设计管理体系。

通过以上分析，可以发现企业热设计缺失、相关技术人员的能力不足和管理不善是导致以上问题出现的根本原因，就是说企业没有针对热设计的各项工作建立一套系统化的工作准则与管理体系，不了解热设计各项工作的思路与要点，从而导致了企业在热设计工作上的投入与成效不成正比，经常会出现花了大量的时间和经费在热设计及其验证试验上，但是产品还是会存在这样或那样的热设计问题，进而大大地影响了产品的可靠性水平。

2 系统化电子产品热设计

完整的热设计工作一般要包含4部分的工作，分别为：方案设计与计算、热设计方案仿真、热设计方案试验评价和热设计方案定型量产。这4部分工作不能孤立地开展，要通过一个系统化的热设计管理与评审机制来统筹协调，从而才能够高效、高质地设计出符合要求的方案[3]，电子产品热设计各部分工作之间的关系如图2所示。

图2 热设计工作流程图

2.1 方案设计与计算

在进行方案的初步设计时，热设计师必须要结合产品的使用环境、功能和性能的要求来进行初步的设计和计算，并且在设计的过程中要与电气和结构工程师进行充分的沟通，以便于得到高效且经济的热设计方案。热设计方案设计计算的过程中一般要进行以下几项工作[4]。

a）根据产品的功耗、结构特点和使用环境来选取合适的冷却方式。

b）根据不同的冷却方式、产品的结构特点和温升要求来计算并选取散热用器件的结构和性能参数 （例如：风扇、散热器和热管等的结构和性能参数）。

c）根据产品的散热特点设计风道方案，在风道方案设计的过程中要在充分地考虑风的流向的前提下设计风扇和散热器等散热用器件的摆放方式和位置。

d）如有多个模块，要在结合风道方案的前提下仔细考虑各个模块在系统中的相对位置。

e）根据各个模块上元器件的功耗、热特性和模块上的空气流向的特点对元器件的相对位置进行排布。

方案的设计与计算阶段是热设计工作的关键阶段，完成好方案的设计计算工作能够对整个热设计工作起到事半功倍的效果，但是，此项工作对于工程师的理论和经验的要求极高，因此企业必须投入有着丰富设计经验的工程师来完成方案的设计与计算工作，以便于提高产品热设计的效率与成功率。

2.2 热设计方案仿真

在设计计算阶段可能会得到一个或多个的初步方案，利用软件对方案进行仿真验证，找出方案中可能存在的热设计问题，并对其进行修改，或从不同的方案中找出最优的热设计方案，利用此方法得到符合要求的初样方案[5]，从而达到缩短试验时间和减少设计成本的目的，在进行热仿真工作时一般要进行以下几项工作。

a）信息收集。包括器件功耗、材料属性和环境参数等信息的收集，信息收集是进行热仿真的基础，因此，必须要保证所收集到的信息的准确性。

b）CFD数字样机建模。在建模的过程中要适当地对一些没有实际意义的结构部分进行删减或简化，从而尽可能地减少仿真的时间。

c）网格划分。在进行网格划分的时候要注意划分主次网格时的差别，重要部分要用细网格划分，次要部分可采取粗网格划分。

d）参数设置与运算。把所收集到的功耗和材料参数代入到模型中进行计算，得到仿真结果。

e）结果分析。一般关注关键器件的温度、空气流动情况和整体温度分布等。

利用热仿真手段验证热设计方案的有效性可以大大地提高热设计工作的效率、降低热试验的时间与金钱成本，但是企业想要做好产品的热仿真工作并不容易，因为它不仅需要大量的数据与理论支撑，而且需要各部门的协同合作，尤其是需要热设计工程师、结构工程师和电气工程师之间的相互配合，因为热仿真的相关重要信息，例如：器件的材料信息、结构件的简化方法和功率器件功耗计算方法等，需要结构工程师和电气工程师的支持才能得到，因此热仿真工作绝不是热设计工程师一个人的事情，而是必须要通过整个产品设计团队的通力合作才能够完成好的工作。

2.3 热设计方案试验评价

对通过仿真验证的方案制样生产，并对初样产品开展相关的试验验证工作，如果产品在热设计试验中符合设计的各项要求 （一般较关注的是关键器件在最恶劣环境下的温升），则可以对此方案进行定型量产，一般的热试验工作主要包括以下几个部分。

a）热试验剖面及方法设计。这是进行热试验的第一步，也是最关键的一步，相关热设计工程师要结合产品的设计要求、使用环境特点、产品的摆放方式和电应力等各个方面，以产品可能遇到的最恶劣的使用环境为条件来设计热试验的应力剖面，设计的着眼点应该是产品的最恶劣的使用环境而不是覆盖最广的使用环境，以便于提高产品热试验的效率，切记要根据产品实际的特点来设计热试验的方法和剖面，不能千篇一律，企业在开展产品的热试验中最常见的问题就是对于不同型号的产品运用同样的试验剖面或方法来进行相关热试验。

b）非接触式热测试。通过红外热像仪或其他的方式初步得到产品的温度分布情况，为接触式热测试热电偶的布点提供参考依据，由于非接触式热测试具有快捷和方便的特性，推荐企业把非接触式热测试加入到流程化或出厂检验试验当中。

c）接触式热测试。利用热电偶等方法得到关注器件或关注部位在特定工况下的准确温度值，从而定量地判断设计的方案是否符合设计和环境的要求。

d）其他参数的测试。例如：流场、压力和不同部位的风速等的测试，要根据设计的目的和分析需求选择合适的关注量进行测量。

2.4 热设计方案定型量产

通过了热测试试验的设计方案即可进行量产，但是在针对新设计方案制定图纸和产线工艺的时候，热设计工程师必须将特殊的热设计处理交代清楚，例如：导热硅胶的种类、刷图厚度和散热翅片的材料、表面粗糙度等，并且要结合企业自身的加工能力对热设计方案进行可加工性评估，如果工艺水平达不到设计要求，而且又不能委外加工的话，必要时要在不严重影响散热效果的情况下对方案进行局部微小修改，从而使产品满足产品的可加工性要求。

2.5 热设计管理

产品热设计工作是一项综合且复杂的系统工作，需要企业各部门的充分配合才能顺利地完成，因而建立一套行之有效的热设计管理体系用于管控热设计的各项工作就显得十分重要，一般可以从以下几方面着手去建立热设计管理体系。

a）建立热设计流程。流程中应明确开展热设计各项工作的时机、内容和负责部门。一般的流程可以根据设计与计算、仿真、试验和定型量产这个顺序进行，企业也可以根据自身的特点对这一流程进行删减或增加。

b）建立热设计评审体系。建立评审专家组，专家组成员要包括电气、结构和热设计等项目技术人员，在完成热设计各阶段性的工作后均要对方案的相关报告或图纸等产品技术材料进行评审，只有当这些相关报告和产品技术材料通过了评审后才能继续进行下一阶段的热设计工作，以便于保证所设计的方案的质量与可靠性，提高设计效率。

c）在设计中要注意对过程经验 （不管是设计、仿真还是试验的成功或失败的经验）进行积累。应分门别类地建立相关设计经验知识库及其管理制度，使经验积累工作嵌入到热设计各项工作环节当中，真正地把设计人员宝贵的设计经验转变为企业的技术财富，通过这种方法来提高企业的热设计技术的整体水平，让后来的设计人员少走弯路，高质量地完成新品热方案设计工作。

3 结束语

电子产品的热设计工作是一项综合性的系统工程，单靠设计师本身的经验和理论功底是完成不好的，它需要企业各个部门和各个领域的设计师充分配合，这就需要一套高效的管理与评审体系来协调统筹热设计的各项工作，可以说，在热设计工作中，管理和技术占据着同样重要的位置，一个优秀的热设计技术团队只有在高效的管理体系下才能最终设计出性能优越的热设计方案，企业要做好热设计工作就必须要建立符合自身特点的管理体系和技术体系，要做到管理和技术两者都不缺失，两者都不偏颇。

[1]YOUNESShabany.传热学：电力电子器件热管理 [M].余小玲，吴伟烽，刘飞龙，译.北京：机械工业出版社，2013.

[2]吕永超，杨双根.电子设备热分析_热设计及热测试技术综述及最新进展 [J].电子机械工程，2007，23（1）：5-10.

[3]高泽溪，高成，王诞燕.电子设备热设计、热评估实施要求 [J].电子产品可靠性与环境试验，2002，20（3）：30-33.

[4]刘宏.电子产品的热设计 [J].电子测试，2007（8）：72-74.

[5]胡志良，姚惟琳.电子产品热设计及数值分析研究 [J].中国科技信息，2012（13）：117-118.

Discussion on Therm al Design M ethod of Electronic Products

Zhu Jia-wei1，2，XIE Jiang1，2，ZHANG Ze1，2，LIQian1，3， GAO Jun4
（1.CEPREI，Guangzhou 510610，China；2.Guangdong Key Laboratory of Electronics and Information Technology Product Reliability，Guangzhou 510610，China；3.Guangzhou Key Laboratory of Reliability and Environmental Engineering of Electronic Information Product，Guangzhou 510610，China；4.South China University of Technology，School of Automation Science and Engineering，Guangzhou 510640，China）

With the increase of the power consumption of electronic product and the decrease of its volume，enterprises will face great challenge while carrying out thermal design work.By analyzing the common problems domestic enterprises encounter while carrying out thermal design work，and combining with the characteristics of thermal design work of electronic products，a system atic thermal design method is put forward from technical and management aspects，which provides a reference for enterprises to carry out the thermal design work for related electronic products.

thermal design；electronic products；management

TB 114.32

：A

：1672-5468（2015）05-0047-04

10.3969/j.issn.1672-5468.2015.05.011

2015-05-15

2015-06-12

朱嘉伟 （1985-），男，广东广州人，工业和信息化部电子第五研究所可靠性与环境工程研究中心助理工程师，硕士，主要从事电子产品可靠性试验、热设计、仿真和评价工作。