文档介绍：某电子设备热分析及Icepak软件应用
摘要温度是影响电子设备可靠性的主要因素,若生产出产品后在实际样机中做实验测试其温度,不但花费时间,而且可能温度早已超过容许温度,致使产品报废。运用电子设备热分析软件模拟其发热情况,找出温度分布情况。若达不到要求,就采取散热措施,直到温度被控制到容许的范围内,从而提高产品的一次成功率、改善电子产品的性能和可靠性、缩短产品的上市时间。
本文在阐述电子设备热分析重要性的同时,介绍Icepak软件的应用范围及技术特点,并利用Icepak软件对某电子设备进行热分析,在此基础上加上散热片、风扇对该电子设备的热控制进行改进设计,同时对散热片和风扇的各项参数进行了优化设计。数值仿真结果表明,通过同时加散热片和风扇的方法能满足热控制要求。
关键词电子设备,热设计,Icepak,可靠性
1 绪论
据美国空军航空电子整体研究项目(US Air ForceAvionics Integrity Program)对元器件失效原因所进行的统计()表明:温度是影响元器件可靠性的主要因素。另外,电子设备的运行实践()表明:随温度的增加,元器件的失效率呈指数增长[1]。若不采取合理的热控制技术,必将严重影响电子元器件和设备的可靠性[2]。因此发热问题,被认为是电子工业面临的三大问题之一,已引起了人们的普遍关注。
元器件失效构成元素
结温与失效率示意图
“热”问题,促进了热分析技术的迅猛发展。国外许多公司已经开发出了电子设备热分析软件,并大多已商品化。例如,美国Fluent公司的Icepak软件,英国Flomerics公司的Flotherm软件等。利用热分析软件能够比较真实地模拟系统的热状况,能够在产品设计阶段对其进行热仿真,确定出模型中温度的最高点。通过对模型进行修改或采取必要的散热措施,消除其热问题,使其最高温度控制在允许的温度范围内,以达到设计要求。
2 热设计基本理论
电子设备的热设计,主要是通过对发热元件、整机设备的散热,或对一些有特殊要求的设备进行加热、恒温等设计,使电子设备在规定的温度范围内正常工作。也即如何加强或削弱热量的传递。
传热的基本概念
热量在温度差作用下从一个物体传递至另外一个物体,或者在同一物体的各个部分之间进行传递的过程称为传热。只要有温度差,就会有传热现象。自然界和工业、农业生产及科学研究中普遍存在温度差,因此传热是自然界和生产技术中最普遍的现象之一。
传热的基本方式
热传导[3]
物体各部分之间不发生相对位移时,依靠分子、原子及自由电子等微观粒子的热运动而产生的热能传递称为热传导(heat conduction),简称导热。通过对大量实际导热问题的经验提炼,导热现象的规律已经总结为博里叶(Fourier)定律,其数学表达式为:
式()
式中:负号表示热量传递方向与温度升高的方向相反;
为材料的热导率,又称导热系数(thermal conductivity),;
为热流密度,。
对流换热[2]
热对流(heat convection)是指由于流体的宏观运动而引起的流体各部分之间发生相对位移,冷、热流体相互掺混所导致的热量传递过程。对流传热的基本计算式是牛顿(Newton)冷却公式(Newton’s law of cooling):
式()
式中:h为对流传热系数(convective heat transfer coefficient),;
为固体表面的温度,K;
为周围流体的温度,K。
辐射换热[4]
辐射换热(radiative heat transfer)是指物体发射电磁能,并被其他物体吸收转变为热的热量交换过程。在工程中通常考虑两个或两个以上物体之间的辐射,系统中每个物体同时辐射并吸收热量。它们之间的净辐射换热量传递可以由斯蒂芬—玻耳兹曼(Stefan—Boltzmann)定律揭示:
式()
式中:为物体的发射率,习惯上又称黑度(emissivity),其值总小于1;
为斯蒂芬一玻尔兹曼常数,其值为;
为辐射面1的面积,;
为1表面对2表面的角系数;
,为辐射面1,2表面的绝对温度,K。
电子设备热设计
热设计的热环境
电子设备热设计首先遇到是各类电子设备工作时,热环境的可变性和复杂性。由于电子设备工作场所不同,它的热环境也不同。根据我国的地理位置,电子产品的气候条件分为:热带、亚热带、温带和寒带等四个气候带。并分为湿热区、亚湿热区、亚干热区、高原区、温和区和干燥区等六个气候区。电子设备热设计考虑的环境因素有温度、气压、辐射及特殊使用环境(军用产品)等。
热设计的基本原则