散熱基礎(chǔ)知識系列

熱設(shè)計網(wǎng) 2020-11-21

人們對手機等電子產(chǎn)品的依賴程度越來越高，長時間用手機聊天、看影視劇、玩游戲，往往會導致手機迅速發(fā)熱，而手機類電子產(chǎn)品發(fā)熱溫升超過10度，性能往往會下降50%以上，并且手機類電子產(chǎn)品發(fā)熱嚴重會導致手機重啟或者爆炸等意外事故的發(fā)生。如何更好提升手機的散熱性能并且預防上述意外事故的發(fā)生，需要借助CFD手段在手機類電子產(chǎn)品的研發(fā)階段就“把好關(guān)”。

那么，CFD軟件如何在手機類電子產(chǎn)品中產(chǎn)生作用？

電子熱設(shè)計基礎(chǔ)理論

熱傳遞的方式

熱量傳遞的基本規(guī)律是熱量從高溫區(qū)域向低溫區(qū)域傳遞，熱量的傳遞方式主要包括三種：傳導、對流、輻射。

傳導

傳導是由于動能從一個分子轉(zhuǎn)移到另一個分子而引起的熱傳遞。傳導可以在固體、液體或氣體中發(fā)生，它是在不透明固體中發(fā)生傳熱的唯一形式。對于電子設(shè)備，傳導是一種非常重要的傳熱方式。

利用傳導進行散熱的方法有：增大接觸面積，選擇導熱系數(shù)大的材料，縮短熱流通路，提高接觸面的表面質(zhì)量，在接觸面填導熱脂或加導熱墊，接觸壓力均勻等。

對流

對流是固體表面和流體表面間傳熱的主要方式。對流分為自由對流和強迫對流，是電子設(shè)備普遍采用的一種散熱方式——所謂的自然對流是因為冷、熱流體的密度差引起的流動，而強迫風冷是由外力迫使流體進行流動，更多是因為壓力差而引起的流動。產(chǎn)品設(shè)計中提到的風冷散熱和水冷散熱都屬于對流散熱方式。影響對了換熱的因素很多，主要包含：流態(tài)（層流/湍流）、流體本身的物理性質(zhì)、換熱面的因素（大小、粗糙程度、放置方向）等。

輻射

輻射是在真空中進行傳熱的唯一方式，它是量子從熱體（輻射體）到冷體（吸收體）的轉(zhuǎn)移。提高輻射散熱的方法有：提高冷體的黑度，增大輻射體與冷體之間的角系數(shù)，增大輻射面積等。

增強散熱的方式

電子產(chǎn)品的設(shè)計可以通過以下幾種方式增強散熱：

增加有效散熱面積：散熱面積越大，熱量被帶走的越多
增加強迫風冷的風速、增大物體表面的對流換熱系數(shù)
減小接觸熱阻：在芯片與散熱器之間涂抹導熱硅脂或者填充導熱墊片，可有效減小接觸面的接觸熱阻，這種方法在電子產(chǎn)品中最常見。
破環(huán)固體表面的層流邊界層，增加紊流度。由于固體壁面的速度為0，在壁面形成流動的邊界層，凹凸不規(guī)則的表面可以有效破壞壁面的層流邊界，增強對流換熱。
減小熱路的熱阻：因為空氣的導熱系數(shù)比較小，狹小空間內(nèi)的空氣容易形成熱阻塞，因此熱阻較大。如果在器件和機箱外殼間填充絕緣的導熱墊片，則熱阻勢必降低，有利于其散熱。
增加殼體內(nèi)外表面、散熱器表面等的發(fā)射率：對于一個密閉的自然對流的電子機箱，當殼體內(nèi)外表面氧化處理比不氧化處理時元件的溫升平均下降10%。

電子熱設(shè)計中常用術(shù)語

熱阻：熱量在傳熱路徑上的阻力，即表示傳遞1W熱量所引起的溫升大小
熱沉：熱量經(jīng)傳熱路徑達到的最終位置
熱耗：器件正常運行時產(chǎn)生的熱量，熱耗小于器件輸入的功耗
接觸熱阻：在實際的電子散熱模擬中，由于兩個壁面的接觸只發(fā)生在某些點上，其余狹小空間均為空氣，由于空氣的導熱系數(shù)較小，在此傳熱路徑上會產(chǎn)生比較大的熱阻
流阻：反映系統(tǒng)流過某一通道或者某一系統(tǒng)時進出口所產(chǎn)生的靜壓差
導熱系數(shù)：表示物體的導熱能力的物理參數(shù)，主要是指單位時間內(nèi)，單位長度溫度降低1度，單位面積導熱傳遞的熱量
對流換熱系數(shù)：表示單位時間內(nèi)，單位面積差為1度時流體固體之間所傳遞的熱量

ANSYS在電子產(chǎn)品設(shè)計中應(yīng)用

電子封裝的熱設(shè)計

隨著電子產(chǎn)品向高集成、高性能和多功能方向發(fā)展，芯片的I/O 線越來越多，芯片的速度越來越快，功率也越來越大高，從而導致了一系列諸如器件溫度升高，功耗密度增大等問題。利用CAE技術(shù)，可以對電子器件的性能進行預測，優(yōu)化結(jié)構(gòu)尺寸和工藝參數(shù)，進而提高產(chǎn)品質(zhì)量、縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、降低產(chǎn)品開發(fā)成本。下文是CFD仿真技術(shù)在解決電子封裝研發(fā)過程中部分常見工程問題的簡要介紹：

芯片封裝內(nèi)部溫度分布分析
芯片封裝內(nèi)熱流路徑分析
芯片封裝后JEDEC標準下各項熱阻值仿真分析
考慮芯片封裝內(nèi)布線、過孔、金線、不均勻熱耗對溫度結(jié)果影響

芯片封裝在熱設(shè)計中需要考慮不同結(jié)構(gòu)的芯片封裝傳熱性能，以及為板級或系統(tǒng)級的熱分析提供芯片封裝模型。 ICEPAK軟件可以根據(jù)ECAD軟件信息直接生成芯片的詳細結(jié)構(gòu)模型，便于工程師對芯片封裝的溫度分布預測及熱優(yōu)化設(shè)計。

電子設(shè)備的熱設(shè)計

電子設(shè)備是指由集成電路、晶體管、電子管等電子元器件組成，應(yīng)用電子技術(shù)（包括）軟件發(fā)揮作用的設(shè)備，如計算機/外設(shè)、工業(yè)電子設(shè)備、汽車電子設(shè)備、軍用電子設(shè)備、便攜式電子設(shè)備及新興電子設(shè)備等。

在電子設(shè)備的研發(fā)過程中常涉及到散熱、結(jié)構(gòu)優(yōu)化等多方面的工程問題。隨著現(xiàn)代CAE仿真技術(shù)的日趨成熟，企業(yè)完全可以將這種先進的研發(fā)手段與試驗和經(jīng)驗相結(jié)合，形成互補，從而提升研發(fā)設(shè)計能力，有效指導新產(chǎn)品的研發(fā)設(shè)計，節(jié)省產(chǎn)品開發(fā)成本，縮短開發(fā)周期，從而大幅度提高企業(yè)的市場競爭力。下文是CFD仿真技術(shù)在解決電子設(shè)備研發(fā)過程中部分常見工程問題的簡要介紹：

電子設(shè)備的散熱分析，如電腦機箱的冷卻系統(tǒng)分析
電子設(shè)備的濕度分析，如機柜內(nèi)部的潮濕分析
電子設(shè)備內(nèi)部及外部的空氣流場分析，如機載電子設(shè)備的內(nèi)部及外部流場分析

電子設(shè)備冷卻系統(tǒng)的優(yōu)劣直接影響其在市場競爭中的成敗。ANSYS專業(yè)熱分析軟件ICEPAK及流體動力學分析軟件FLUENT可以分析優(yōu)化電子設(shè)備的內(nèi)部布局，改善電子設(shè)備內(nèi)部的冷卻系統(tǒng)，降低因溫升帶來的不利影響。

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