電子設(shè)備熱設(shè)計的初步研究

現(xiàn)代生活中電子設(shè)備已經(jīng)滲透到了民用、廠礦、軍事等各個方面。電子設(shè)備的可靠性對于人們的生活起著越來越重要的地位。隨著電子行業(yè)的不斷發(fā)展，對電子設(shè)備體積提出了小型化的要求，而電子設(shè)備的功能和復(fù)雜性日益增長，這樣在有限的體積范圍內(nèi)，電子設(shè)備的功耗不斷增長，熱流密度急劇上升，導(dǎo)致電子設(shè)備的溫度迅速提高，從而引起了電子設(shè)備的故障越來越多，表1是電子元器件失效率隨溫度變化。例如：pш500芯片，其集成的元器件數(shù)目達到了百萬之多，溫度顯著提高，雖然采用了散熱片、風(fēng)扇等措施來進行冷卻降溫，但仍得不到所要求的效果，廠商不得不將其工作電壓從5 v降低到3 v，甚至更低，以減小其功耗，控制內(nèi)部溫度，保證其正常工作。

在電子設(shè)備中，熱功率損失通常以熱能耗散的形式表現(xiàn)，而任何具有電阻的元件都是一個內(nèi)部熱源。當(dāng)電子設(shè)備進行工作時，由于功率損失，器件本身溫度會有所上升，同時電子設(shè)備周圍的環(huán)境溫度亦會影響設(shè)備內(nèi)部溫度，從而影響到電子器件工作的可靠性。在電子行業(yè)，器件的環(huán)境溫度升高10 ℃時，往往失效率會增加一個數(shù)量級，這就是所謂的“10 ℃法則”。

隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，電子設(shè)備熱設(shè)計越來越受到重視。正確的熱設(shè)計是電子設(shè)備可靠性保證的主要方法之一。

1 電子設(shè)備熱設(shè)計的一般流程 ?所謂熱設(shè)計就是把設(shè)備輸入的熱量降至最低，并提高散熱效果，把設(shè)備內(nèi)部有害的熱量排出到電子設(shè)備的外部環(huán)境當(dāng)中，獲得合適的工作溫度使其不超過可靠性規(guī)定的限值，確保設(shè)備可靠、安全的工作。電子設(shè)備的熱設(shè)計可分為3個層次 ，如圖1所示。

對電子設(shè)備機箱、機框及方腔等系統(tǒng)級別的熱設(shè)計，即系統(tǒng)級（systems）的熱設(shè)計；對于電子模塊、散熱器、pcb板級別的熱設(shè)計，即封裝級（packages）的熱設(shè)計；對于元器件級別的熱設(shè)計，即組件級（components）的熱設(shè)計］。

系統(tǒng)級的熱設(shè)計主要研究電子設(shè)備所處環(huán)境的溫度對其影響，環(huán)境溫度是電路板級熱分析的重要邊界條件，其熱設(shè)計是采取措施控制環(huán)境溫度，使電子設(shè)備在適宜的溫度環(huán)境下進行工作，如圖2所示。

電子設(shè)備進行封裝級的熱設(shè)計在國外發(fā)展較為成熟，出現(xiàn)了電子器件封裝（electronic packaging）專業(yè)。電子設(shè)備封裝級的電子模板和pcb電路板熱設(shè)計是與設(shè)備的電路設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計密切相關(guān)同步進行的。對于pcb電路板基材進行適當(dāng)?shù)倪x擇是電子設(shè)備封裝級熱設(shè)計的重要內(nèi)容［4］，覆銅箔層壓板的種類、特性是印制電路板設(shè)計和制造工藝人員所關(guān)心的項目，除了一般要求的強度、絕緣、介質(zhì)系數(shù)等外，對覆銅板的熱性能有特殊要求。覆銅板的熱性能有2個方面的內(nèi)容：

①覆銅板的耐溫特性環(huán)氧玻璃布覆銅箔層壓板具有優(yōu)良的電性能和化學(xué)穩(wěn)定性，工作溫度在-230　℃~260 ℃。聚酰亞胺覆銅箔層壓板，除上述優(yōu)良性能外，還具有介電系數(shù)小，信號傳輸延遲小的特點。

②覆銅板的導(dǎo)熱性能選用耐高溫、導(dǎo)熱系數(shù)高的材料來作為印制電路板的材料。金屬芯印制電路板具有相對優(yōu)良的熱性能。在相同的條件下，環(huán)氧玻璃布層壓板圖形導(dǎo)線溫度升高40 ℃，而金屬芯印制電路板圖形導(dǎo)線溫度升高不到20℃，因而金屬芯印制電路板在電子設(shè)備中得到了廣泛地應(yīng)用。

由于電子設(shè)備各個部件是由各種不同材料的元器件組成［3］，如：硅芯片、氧化硅絕緣膜、鋁互連線、金屬引線框架和塑料封裝外殼等。這些材料的熱膨脹系數(shù)各不相同，一旦遇到溫度變化，就會在不同材料的交界面上產(chǎn)生壓縮或拉伸應(yīng)力，因此產(chǎn)生了熱不匹配應(yīng)力，簡稱熱應(yīng)力。材料熱性質(zhì)不匹配是產(chǎn)生熱應(yīng)力的內(nèi)因，而溫度變化是產(chǎn)生熱應(yīng)力的外因。電子設(shè)備元器件級的熱設(shè)計是為了防止器件出現(xiàn)過熱或溫度交變而失效。電子設(shè)備的熱設(shè)計步驟可概括為圖3所示的工作流程圖。

2 電子設(shè)備冷卻方式及其選擇

電子設(shè)備的冷卻方式可分為2類形式：自然冷卻散熱和強制冷卻散熱。根據(jù)具體情況，選擇適當(dāng)?shù)睦鋮s方式是熱設(shè)計的重要方面。冷卻方式的選擇取決于很多因素，如：電子設(shè)備的總發(fā)熱量、電子設(shè)備的允許熱量、工作環(huán)境以及電子設(shè)備元器件的組裝方式及布局等。

2.1 自然冷卻

自然冷卻是利用設(shè)備中各個元器件的空隙以及機殼的熱傳導(dǎo)、對流和輻射來達到冷卻目的，冷卻方法廣泛的應(yīng)用在中小功率設(shè)備上。自然對流依賴于流體的密度變化，所要求的驅(qū)動力不很大，因此在流動路徑中容易受到障礙和阻力的影響而降低流體的流量和冷卻速率。因此在清晰干凈且暢通的情況下，自然對流是一種比較有效的冷卻方式。一般情況下，電子設(shè)備都采用此種冷卻方式。熱輻射可以通過真空或者通過吸收作用相當(dāng)小的氣體進行傳播。當(dāng)電子設(shè)備內(nèi)部具有較大的溫差時，可利用輻射換熱來進行熱傳導(dǎo)。

早期的386微機中，通過結(jié)構(gòu)、元器件布局上的合理設(shè)計，利用自然冷卻可以使設(shè)備中的熱量散發(fā)到環(huán)境當(dāng)中，使微機在允許的溫度范圍內(nèi)進行正常工作。但當(dāng)元器件之間的距離小于3 mm的時候，自然對流幾乎停止，傳導(dǎo)和輻射成為主要的散熱方式。另外，元器件的引線要短，盡量減小元器件與印制電路板之間的溫差，發(fā)熱量大的元器件要裝在底板或者散熱器上，底板和散熱器大多經(jīng)過表面處理增加輻射率，散熱器要垂直于冷卻氣流安裝，以提高散熱效率。此外還要注意在微機機箱上部、側(cè)部和后部安裝通風(fēng)散熱孔，盡快將機體內(nèi)的熱量排出，以保證微機內(nèi)部的工作溫度。

2.2 強制冷卻

強制冷卻分為空氣和液體2種方式。很多電子設(shè)備的冷卻采用強制對流風(fēng)冷卻形式，這是因為空氣強制對流冷卻的換熱量比自然對流和輻射的要大到10倍［4］。 ?空氣強迫對流冷卻技術(shù)較自然冷卻減小了電子設(shè)備冷卻系統(tǒng)的體積，使其具有更高的元器件密度和更高的熱點溫度。通常，風(fēng)源的產(chǎn)生有2種方法： ①是在電子設(shè)備內(nèi)部采用風(fēng)扇（常見的有離心、軸流、螺旋槳等形式的風(fēng)扇），以加大空氣流量，強化電子器件的散熱；

②是風(fēng)源不在電子設(shè)備內(nèi)部，例如，在車載或機載等移動式電子設(shè)備上，機體本身開設(shè)了多個通風(fēng)孔，當(dāng)車輛或飛機運行時，外部氣源經(jīng)通風(fēng)孔鼓風(fēng)，從而達到冷卻的效果。

目前液冷技術(shù)正沿著2個不同的方向發(fā)展［2］。一是用來處理機器產(chǎn)生的熱量使器件溫度和器件溫差限制在可接受的水平上；另一個是使器件和電路處于極低的溫度狀態(tài)下以提高器件開關(guān)速度和降低金屬布線電阻，從而提高電子設(shè)備的性能。超低溫冷卻技術(shù)為液冷應(yīng)用開辟了一個新的領(lǐng)域，是在特定的條件下提高電子設(shè)備性能的有效手段。

相變過程伴隨有大量熱量的釋放和吸收，采用相變冷卻的方法可以對電子設(shè)備進行有效的溫度控制。利用相變材料的相變過程作為熱控制的基本形式有2種：液體的氣化和固體的熔化。

液體的氣化冷卻是一種很有效的冷卻方式，主要應(yīng)用于高能量密度的部件或者處于常溫蒸浴狀態(tài)的電子器件。工作原理如圖4所示。

固體的熔化冷卻是采用一種合適的材料作為冷卻手段，如塑性化合物，當(dāng)他從發(fā)熱部件吸收大量的熱量時就熔化。材料熔化時溫度并沒有升高，所吸收的熱量轉(zhuǎn)化為材料的熔化熱，起到冷卻發(fā)熱電子部件的作用。這種冷卻方法的優(yōu)點是原理簡單，并且不耗費能源。因為熔化過程是可逆的，若發(fā)熱器件的溫度降下來，則已融化的物質(zhì)可以再凝固。缺點是冷卻能力限制在吸熱材料的熱容量以內(nèi)。這種冷卻方法特別適用于處于脈沖工作狀態(tài)下的電子器件設(shè)備。選擇相變材料時應(yīng)注意材料的熔化點，其數(shù)值應(yīng)等于或接近于發(fā)熱部件的正常工作溫度。

2.3 其他冷卻技術(shù)

2.3.1 熱管技術(shù)

熱管是一種密封結(jié)構(gòu)的空心管，管內(nèi)含有蒸發(fā)時傳遞大量熱量的液體以及冷凝時將液體帶回起點的吸液芯。整個過程是在沒有外部動力，沒有機械運動零件，沒有噪聲的情況下完成的，而且設(shè)計極為簡單有效，傳遞的熱量比固態(tài)金屬大幾百倍［4］，因此熱管在電子設(shè)備冷卻技術(shù)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

熱管是一個圓筒形的中空容器，在其管壁內(nèi)填充燒結(jié)金屬、金屬氈等材料，主要是利用其毛吸力較大的特性，使液體由上面冷凝部回流到下部蒸發(fā)部。當(dāng)蒸發(fā)部受熱后使工作液蒸發(fā)，這種蒸汽快速地向冷凝部轉(zhuǎn)移，并迅速帶走熱量，在冷凝段冷卻而使蒸氣凝聚成液體并積累。由于蒸發(fā)部的液體在缺乏毛吸力的作用下使工作液回流，這樣工業(yè)液的蒸發(fā)(吸熱過程)→蒸氣的移動(輸送熱量)→凝結(jié)(放熱過程)→液體回流，自動完成了容器的導(dǎo)熱過程。這種冷凝散熱器有很多優(yōu)點，不僅導(dǎo)熱性十分優(yōu)異、熱響應(yīng)快、受熱部分和散熱部分可以隔離、構(gòu)造簡單、重量輕、使用壽命長、故障率低、可在無重力情況下使用、還具有熱二極管及熱開關(guān)的特性。特別是，一般的固體傳導(dǎo)熱量與傳導(dǎo)通路長度呈反比例減少，而熱管具有其他固體傳熱所不具有的特性。在電子設(shè)備中使用時，其一端可以連接多個發(fā)熱部件，另一端可連接散熱器、機殼其他冷卻器件，散熱效果十分理想。

2.3.2 熱電制冷技術(shù)

當(dāng)電流通過n型半導(dǎo)體和p型半導(dǎo)體所形成的電偶時，一個接頭上放出熱量，而另一個接頭上吸收熱量。利用這一原理做成典型應(yīng)用的有冷熱水機、電子器件的冷卻。熱點制冷技術(shù)的制冷溫度范圍為-20 ℃~常溫。應(yīng)用熱電制冷技術(shù)作為電子設(shè)備的冷卻措施，設(shè)計方面應(yīng)包括以下幾方面內(nèi)容：設(shè)置一個電子器件需要的冷面、提供一個比環(huán)境高的熱表面以及設(shè)置一個從冷面至熱面泵出熱量的制冷系統(tǒng)。

圖5所示為一熱電制冷器的示意圖，通常由p型和n型半導(dǎo)體片、導(dǎo)電接片、電絕熱片、冷板和散熱器組成。由于單級熱電制冷器的制冷量較小，氣溫差值為50 ℃~60 ℃。為了獲得更大的制冷量和更低的制冷溫度，常采用多級溫差電器件串聯(lián)、并聯(lián)或者串并聯(lián)結(jié)合的形式來對電子器件進行冷卻。

3 計算機輔助熱設(shè)計

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，計算機輔助設(shè)計（cad）、計算機輔助制造（cam）、計算機輔助工程（cae）日益成熟起來。計算機輔助工程在產(chǎn)品開發(fā)、研制和設(shè)計中顯示出其無與倫比的優(yōu)越性，使其成為現(xiàn)代化工業(yè)企業(yè)在日趨激烈的競爭中取勝的具體表現(xiàn)。計算機輔助工程可以極為有效的縮短新產(chǎn)品的開發(fā)和研究周期，對于提高產(chǎn)品的競爭力起著至關(guān)重要的作用。

在電子行業(yè)，計算機輔助設(shè)計也逐漸成熟起來，出現(xiàn)了許多計算機輔助設(shè)計軟件，極大的促進了電子行業(yè)的發(fā)展。電子設(shè)備的計算機輔助設(shè)計開始于20世紀70年代，當(dāng)時的計算機輔助設(shè)計主要應(yīng)用于印制電路板（pcb）的設(shè)計。

熱設(shè)計作為電子設(shè)備設(shè)計的一部分也得到了充分的發(fā)展。在我國電子設(shè)備熱設(shè)計領(lǐng)域主要是利用計算流體動力學(xué)（cfd）方法來進行的。國外已經(jīng)有了很多成熟的商業(yè)軟件來進行計算機輔助熱設(shè)計， fluent/icepack，phoenics/hobox，ansys，nata，cinda，natfin，cats，tans，flowtherm，icepak，coolittm等。相對來說，國外的熱分析軟件的開發(fā)和應(yīng)用趨于成熟，在工業(yè)應(yīng)用當(dāng)中具有廣泛的應(yīng)用；國內(nèi)某些科研院所也開展了這方面的工作，并開發(fā)了功能較強的熱分析軟件。

一般商業(yè)化的熱分析軟件需要具備3個要求：

（1）功能可靠，可以解決熱分析時所遇到的問題；
（2）軟件易于使用，操作方便；
（3）具有修理或解決突發(fā)問題的能力。進行熱分析的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)是有限元法、有限容積法、有限差分法以及邊界元法。 對于不同的分析軟件，所采用的數(shù)值方法有所差別。熱分析就是根據(jù)工程實際來對模型簡化，建立數(shù)學(xué)模型，求解非線性方程，編制和調(diào)試分析程序，最后得到可視化的溫度分布圖。 以空氣強迫對流冷卻電子器件為例，進行電子器件熱分析的具體步驟如下：首先，根據(jù)電子設(shè)備的幾何形狀，設(shè)備進出口空氣速度以及溫度確定數(shù)值計算所需要的邊界條件和初始條件；根據(jù)已知參數(shù)來建立空氣流動的數(shù)學(xué)模型；再根據(jù)建立的數(shù)學(xué)模型以及電子設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，利用有限元法或有限容積法等建立相關(guān)的非線性方程，編制程序并調(diào)試，也可以利用fluent等商業(yè)化軟件來進行分析計算；最后是計算結(jié)果的后處理，將計算結(jié)果的文本文件轉(zhuǎn)化為圖形文件，生成可視化的速度溫度圖形。

4 電子設(shè)備熱設(shè)計的發(fā)展方向

電子設(shè)備熱設(shè)計是一項十分復(fù)雜的工作，有待解決的問題很多。電子設(shè)備的計算機輔助熱設(shè)計還有待于進一步的完善和發(fā)展，與電路板結(jié)構(gòu)的設(shè)計有機的結(jié)合起來。由于電子設(shè)備微型化的趨勢，電子設(shè)備熱設(shè)計需要從微尺度換熱的角度來考慮進行有效的熱傳遞。另外液體冷卻和熱管等技術(shù)在電子設(shè)備上的應(yīng)用也是今后電子設(shè)備熱設(shè)計的發(fā)展方向。