关于电子设备热分析技术及软件应用分析

杨兰平

【摘要】 电子元器件的散热问题，能够影响电子设备的寿命和性能，利用现有的热分析软件，在电子设备的设计阶段，了解其温度分布情况，对设计进行优化，从而提高电子设备的可靠性，本文在电子设备热分析理论的基础上，结合热分析软件的特点，对建模情况、导热情况、对流情况等影响分析结果的因素进行了简要的问题，最后结合Icepak热分析软件，对电子设备热分析中如何利用软件对温度进行控制进行介绍，希望能给实际的电子设备热分析提供一定的参考。

【关键词】 电子设备 元器件 热分析技术 热分析软件

随着电子信息技术的发展，电子元器件逐渐微型化、高功耗化，功耗的增加使得不同元器件间的热流密度增加，相关的统计表明，在电子产品发生的故障中，有55%以上是由于冷却系统原因导致的。温度的升高会导致电子元器件失效率提高，如果没有采取良好的热控制技术，电子元器件的寿命和可靠性都会受到很大的影响。热分析软件的主要作用是模拟电子设备的热状况，在产品设计阶段中，利用软件进行仿真，找到电子设备模型中温度最高的地方，然后对电子设备的设计进行修改，或采取相应的散热方法，将温度控制在允许的范围内，使得产品能够一次成功，提高电子设备的性能和可靠性。

一、电子设备热分析的理论

电子设备的散热主要有三种方式，分别为对流散热、辐射散热和导热，对流散热是利用元器件表面和周围接触，由于存在温度的差距而进行的热量交换，实际的散热有自然对流和强迫对流两种，自然对流也叫被动散热，通常不采用风扇灯散热措施，利用电子元器件工作时产生的热量与周围自然存在的温差进行热交换。强迫散热也叫主动散热，利用风扇、水冷等方式，人为的增加电子元器件和周围之间的温差，根据牛顿冷却方程qn=h（Tw-Tf），其中h为换热系数，Tw为电子元器件表面的温度，Tf为周围流体的温度。导热理论是建立在傅立叶定律的基础上，其数学表达式为qn=λdT/ dx，λ为电子元器件材料的导热系数，qn为热流密度。

二、热分析软件简述

电子设备热分析中热分析软件的应用，主要有数值分析法和解析法两种，解析法主要解决简单的热分析问题，而数值分析法利用离散数学和数值计算，在计算机的环境中对大量复杂问题进行计算，随着电子元器件的发展，目前热分析软件主要采用数值分析法。

由于现在使用的电子元器件，其散热都需要考虑很多因素，如元器件的分布、材料和几何因素等，热分析软件可以将这些因素都加入到电子设备的模型中，快速的计算出电子设备温度分布情况。

目前市面上有很多电子设备热分析软件，如Flotherm软件、Icepak软件等，受到我国软件技术水平的限制，我国没有自主研发热分析软件，使用的热分析软件都需要从国外购买，但是在实际应用的过程中，很多模型建立的不够合理，相关数值输入不精确，影响了热分析的结果。

三、影响热分析软件分析结果的因素

3.1建模情况

在电子设备热分析中，热分析软件的应用首先要建立一个模型，如PCB板的建模中，由于PCB板通常由铜和绝缘体加压、热制成，铜主要起到导热、导电的作用，现在使用FR4绝缘体传导率为0.35，铜为388，由此可以看出，PCB板中铜的含量是影响其导热的主要因素，而铜的分布比较复杂，尤其是多层的PCB板，有过孔、焊盘、铜线，很难建立详细的模型。

因此热分析软件中，通常会把PCB板当成各向异性的均一的传导率材料，而传导率的确定，往往依据工作人员的经验，因此不同人员热分析的结果可能会存在较大的差异，与真实的情况会存在一定的误差。现在使用的热管等传导冷却技术，其建模更加困难，需要使用轴向高传导的杆进行建模，但是轴向传导率很难确定。

3.2导热情况

根据导热的傅立叶定律数学表达式可知，热传导情况由电子元器件材料的传导率确定，如果是简单的材料，利用材料手册能够查到其传导率，但是现在使用的复合材料，其传导率很难确定，如塑料等，不同塑料之间的热传导率有很大的差异，加上手册中的数值都是在实验室的环境中测得的，与实际环境中的数值会有一定的差异。

因此很多工程材料，由于缺乏精确的传导率，使用带有误差的传导率进行计算的现象非常普遍，这是导致热分析结果不准确的重要因素。

3.3对流情况

对流换热是复杂的过程，会受到电子元器件的表面和流体的物性等因素影响，如flotherm热分析软件对风扇进行建模时，会从软件自身带有的器件库中选择风扇，然后输入相应的空气体积流速-压力曲线，虽然建模比较简单、快速，但是显然无法真实的反应出风扇带来的气流压降和湍流情况。

在空气通过管道和出风口时，会有空气阻尼作用，导致气压和风速的降低，该系数可以进行测量，随着速度的变化而不同，但是在速度较低时，很多设计人员会将其当作常数，甚至在速度较高时，有些设计人员也会将其作为常数，这样的处理也会产生误差。

四、热分析软件Icepak的应用

Icepak是专业的热分析软件，在电子设备热分析中应用非常广泛，软件内置了很多物理模型，对热传导、对流、层流等流动现象进行模拟仿真，符合现代电子产品设计的需要，如某元器件的总功率为800瓦，在室温环境中最高容许温度为108摄氏度，该元器件的功率较大，要想在实际中对其温度进行测试，显然需要消耗较大的电量，而且需要很长的时间，加上样品制作需要一定的成本，如果利用Icepak软件进行分析，显然可以很好的解决这些问题，快速的确定温度分布情况。

Icepak热分析软件的应用，首先需要设定初始参数建立模型，确定模型后要设置收敛标准和迭代步数，由于该软件在传热和流动问题求解中，主要采用能量守恒、动量守恒和质量守恒三个控制方程，只要有1个方程不收敛，就要对建立好的模型进行检验，然后重新进行验证，直到迭代收敛为止。

如果经过软件分析发现某处的温度超过了设计的容许温度，就要采取加装散热片、风机等措施，然后再次利用软件进行分析，直到元器件的温度低于设计的最高容许温度为止。散热片的安装时，为了追求电子设备的性能和成本最优，必须确定散热片的肋间距、底板和肋片厚度最佳，在热分析软件中反复的对比结果，由于Icepak软件有参数式分析功能，这个trials功能能够快速的将散热片最优。

五、结语

电子设备的热分析技术，利用热分析软件能够模拟电子元器件的温度分布情况，对电子设备的温度进行控制，保障电子元器件的性能的寿命最优，与传统的制作实物等热分析相比，能够极大的缩短研发时间。

目前市面上的热分析软件有很多，由于都是国外的软件，我国技术人与使用的过程中，受到各种因素的影响，分析结果容易存在较大的误差，必须重视建模、导热、对流等因素，尽量减少软件分析结果和实际情况之间的误差，保障电子设备的设计一次成功。

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