文档介绍：2005 Fluent 中国用户大会论文集

Icepak 在电子设备热设计中的应用概述

潘显坤
(西南电子设备研究所成都 610036)

摘要:随着应用软件的不断发展,数值仿真已成为电子设备热设计中必不可少的一步。本文以某受高热流冲击电
子薄膜的热防护及某高功率电子芯片散热冷板设计为例, 介绍了 Icepak 在电子设备热设计中的实际应用。工程实
际结果与仿真结果一致,误差较小,表明 Icepak 具有较高的工程实用价值。
关键字: Icepak 热分析电子设备

微电子的发展趋势一个重要方面就是电路密度的增加,这导致芯体的功率耗散和热量的增加,电子
设备温度迅速升高,从而使电子设备的故障越来越多。实践表明,电子元件的故障率随电子元件的温度
升高呈指数关系而增加,而电子设备线路的性能则与温度的升高成反比。对于军事电子设备来说,还要
经受高温、低温、瞬态高热流冲击等苛刻的环境条件,电子设备因为过热而发生的故障,会使设备(或
系统)性能下降,对军事电子系统和设备可靠性影响尤为巨大,甚至造成灾难性后果。因此,电子设备
的热分析和热设计成为一个不可忽视的问题。传统的热设计方法有解析法和实验法。由于在实际设备中
热传输途径非常复杂,解析法通常仅具有理论上的指导意义而难以满足工程实际需求。实验法虽然具有
准确度高的优点,但是却有耗时长、成本高及难以探测系统内部温度等缺点。而基于流体力学、传热
学、数值分析的现代热仿真技术是一种高技术、高速度、低成本的方法,它对优化电子设备的热设计、
进行故障分析以及保证在复杂环境中工作的电子设备的性能和可靠性具有重要指导意义。随着商用数值
仿真软件的完善,热仿真技术得到了越来越广泛的应用。本文介绍行业领先的 Icepak 软件在电子设备热
设计中的一些应用。仿真结果都经过实际设备的实验验证,误差均较小,具有工程实际应用价值。
2. 电子薄膜的热防护
某新型电子薄膜为直径为 100mm 的圆形,厚度为毫米。在此薄膜的使用过程中,要经受如图 1
所示的瞬态热流冲击,此峰值热流为 500KW/m2。在此冲击下,薄膜的温度迅速升高。图 2 所示为薄膜受
热表面圆心的温度变化图。从图中可以看出,薄膜最高温度接近 500℃,这远远超过了此薄膜能耐受的最
高温度 270℃这一限制,因此必须采取热保护措施。

图 1 薄膜所受瞬态热流冲击图 2 薄膜表面温度变化曲线

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从图 3 可以看出,增加保护层后,最初 1 秒薄膜的温度显著降低,但是由于保护层已经升到很高的
温度,最终导致薄膜的温度在几秒钟后升到接近 380℃的高温,保护层起到了延缓热流冲击的作用,但仍
然不足以保护薄膜。由于薄膜温度的降低主要是由接触热阻引起的,因此考虑再增加一层相同的保护
层。在这种情况下计算薄膜表面相同点的温度曲线如图 4 所示。

图 3 增加保护层后的温度变化曲线图 4 增加两层保护层后薄膜表面温度变化曲线

首先考虑给薄膜表面覆盖一层厚度为毫米,导热性很差的无机物。希望利用这层覆盖物的低导热
性及增加的接触热阻来抵挡最初 0