0引言

電子設備的主要故障模式是熱失效,其中超過55%是由于冷卻系統設計不佳造成的?隨著溫度的升高,熱量增長的效率呈指數增長,一些電子器件隨著環境溫度每增加10°C,故障率就提高一倍左右?因此,電子設備的熱設計和熱分析技術長期以來都受到了國內外研究部門的關注?現有的熱設計通常基于經驗上的傳熱方程?在成品完工時進行實驗測試,如果不符合要求,則需要重新修理?重新測試,這樣一來,設計過程十分浪費時間和資源?顯然,這種傳統的熱設計方法已經不能滿足現代生產的需要,因此,有必要在產品設計階段實施更為有效的熱模型?熱分析軟件能夠更為實際的模擬系統的熱分布,并在產品設計階段進行溫度測試,以確定模型的最高溫度點,能夠及時更換模型或執行所需的散熱裝置,能夠有效消除溫度問題,并將最高溫度控制在允許的溫度范圍內,更好的滿足設計要求?

1計算機輔助熱分析的數值法

電子計算機熱分析的基礎是傳熱的計算,其數值計算方法主要包括:有限差分法?有限元法和有限體積法?

1.1有限差分法的數學基礎是用差分來代替微分

能量守恒定律是熱傳導問題中有限差分法的物理基礎?通過觀察有限差分方程,可以發現該方程可以通過定義每個元素來保持元素的能量平衡?此外,還可以直接從傳熱方程和現有邊界條件中推導出差分方程?解決物體溫度在時間和空間上連續分布問題,實現時間和空間領域中有限數量的不連續溫度以及準確控制這些分離時間點的溫度問題,這些值可以用于近似連續的溫度分布?廣泛用于電子設備的熱分析技術,其熱節點網絡的方法基于有限差分方法?該過程的一個具體步驟有:將集中的熱分布轉換為局部的熱分布,將各個區域內的零散的熱分布集中在節點上,零熱量表示連接節點的熱阻為零,基于熱平衡原理建立各節點的熱平衡方程,通過聯合求解方程得到各節點的適當溫度?如果整個區域有足夠的節點,某些區域的不連續溫度分布將取代該區域內的連續溫度分布?第1步:掃描連續區域,將各個區域中分散的熱量集中起來,如果沒有熱量,就表示為零熱量?步驟2:將各個節點連接到熱阻,并根據熱平衡原理設置其方程?步驟3:在獲得每個節點的溫度后求解方程,需要注意的是,如果該區域中的節點數量很大,則每個點的不連續溫度分布可以代替連續的溫度分布?

1.2有限元法是根據變分原理求解問題的一種數值計算方法

主程序需要遵循區域的不連續性,將每個區塊的插值函數與每個區塊配置的函數表示出來,并與每個點處的極端溫度值形成代數方程,再將代數方程求解,它是一種強大的數值計算方法,可以實現微分方程的熱量分布處理,然后可以通過計算機輔助編譯,更好的解決問題?此方法在對電子設備進行熱分析時,則需要執行以下步驟:首先,掃描該區域并列出每個塊的功能表達式;其次,形成每個塊的插值函數,并構造函數的極點和最后的代數方程;最后求出每個點的溫度值?

1.3有限體積法

有限體積法是一個新的離散方程,它結合了有限元和有限差分方法的優點,因此,有限體積控制方法具有部分有限元方法的特征?使用離散方法時,比差分方法的靈活性更強,計算的更快?大多數現代熱分析程序都使用有限體積方法?有限體積法通常用于流體動力學計算,是基于守恒方程的積分形式,可以在計算網格定義的控制中描述,因此,這種方法也稱為控制體積法?控制體積法的靈活性和求解速度比上述兩種方法快得多?

2電子設備熱分析的理論基礎

2.1傳導效應

傳導效應是傳熱的主要形式之一,由于其本質是熱傳導過程,也稱為熱傳導,可以基于傅里葉定律來表達?如果物體的溫度分布取決于單個空間坐標,并且溫度分布不隨時間變化,則熱量通常是在溫度下降的方向上進行傳遞,這稱為一維固定熱傳導?在一般情況下,熱導率的溫度取決于時間和X,Y,Z三個坐標,并且在熱交換過程中非常容易被消耗?此時,導熱率被稱為三維不穩定導熱率?

2.2對流換熱

對流傳熱是指相互接觸的液體之間的熱交換過程,特別是固體表面的溫差?該過程可分為兩種情況:自然對流和強制對流?由于PA/PM和其他設備在電話板上都被設有屏蔽罩,因此空氣屏蔽罩一般都是處于靜止狀態?因此,在移動電話的電路板中,靜電對流主要是靜態的?

2.3輻射傳熱

在熱交換過程中釋放電磁能并被其他物體吸收的物體?在本領域中通常考慮兩個或更多個物體之間的輻射,并且系統中的每個物體同時輻射和吸收熱量?它們之間的凈輻射傳熱可以根據斯蒂芬-玻爾茲曼定律計算:

3熱分析軟件的使用與操作

隨著電子應用程序數量的不斷增長,許多公司已經擴展了對熱分析軟件的研究工作,并開發了幾個專業程序,比如Icepak和Flothrem軟件,該軟件可以解決一些典型的問題,如電子設備的熱分析?該系統還具有模擬不同流體條件下不同物理模型的功能?

4軟件熱仿真建模

4.1物理建模

在這項研究中,我們選擇了具有熱源的手機?為了計算總能耗,我們做出以下假設:一部典型的手機,長170毫米,寬70毫米,表面溫度均勻?在表面發射率為0.8的保守假設下,當環境溫度為25℃時,輻射熱傳導產生的熱功耗占據總功耗的一半以上?因此必須仔細設計參數,以達到41℃的接觸溫度?為了避免手機可能存在的高溫現象,表面溫度不超過最大允許接觸溫度,并保證其散熱系統?創建模型時,需要定義一些基本參數:(1)環境變量:環境溫度為25℃;(2)基本參數:對應模型的外部尺寸;(3)電源設置:安裝每個組件,測試其耗電量;(4)材料參數:該型號包含金屬?塑料?銅和其他組件,并定義各個導熱系數?

4.2網格劃分

一旦確定了需要求解的區域,就需要劃分需要計算的網格?執行系統網格預設和增量細分設置?在大多數情況下,可以使用網格約束,即添加局部網格和網格位置,以便將網格精確設置在需要溫度梯度大的位置上?在創建網格時要特別注意網格的質量?例如,使用GridSummary,可以排除具有高縱橫比和高失真的柵格單元?

4.3求解步驟與結果

在IGBT塊上安裝多個溫度傳感器,例如正向?反向?側面等檢測位置,其設計目的是控制接觸溫度為41℃或更低,并對用于移動電話的各種導熱材料進行檢測?在本研究中,假設每個模擬的能量消耗是相同的,但唯一不同的是對于具有高導熱性的材料,求解的固體中的熱傳導方程?高斯定律等,基本的輸出量是溫度?焦耳等?熱傳導方程公式為:

其中p表示的是密度,cp表示的是比熱容,k代表的是熱導率,而Q表示的是所加的熱能交換率?第一項代表溫度的時間變化率,第二項代表的是溫度梯度造成的熱能流?T是時間(瞬態情況下)以及空間的函數?

主要的仿真步驟如下:第一:建立好物理機構;第二:設置好仿真區?網格以及Solver;第三:設置邊界條件;第四:指定熱源;第五:檢查網格等;第六:添加監視器;第七:進行仿真計算以及分析?

產生的局部溫度變化對某結構的折射率影響是可以通過監視器用Matlab文件保存,然后可以在FDTDSolutions和MODESolutions添加Atribute可以讀取?

5熱仿真實例

由于移動電話的空間非常小,需要在灰塵?水滴?靜電等中進行其密封性能的實驗,但目前沒有更好地解決方法?因此,改變導熱率?增加散熱器面積和改變物體的顏色深度是熱保護的有效應對方法?散熱需要將局部熱量盡可能均勻地分布到整個機身,慢慢的將熱量發散到外部?由于手機的相機和CPU部件是熱點最為集中的,要想實現散熱功能,一種方案是增加導熱系數高的材料,比如石墨導熱片?通過仿真模擬增加石墨導熱片的效果,并與不增加時做對比,以確定是否使用?仿真結果如表1所示?

軟件仿真模擬結果表明,加入石墨導熱片后,最高溫度被有效的降低了,且整個機身的溫度也更均勻了?因此,設計規劃加入石墨導熱片是有效的,可以引入到以后的設計中?

6結論

本文首先從有限差分法的數學基礎是用差分來代替微分?有限元法是根據變分原理求解問題的一種數值計算方法以及有限體積三個方面對計算機輔助熱分析的數值法進行了分析,然后從熱導效應以及對流換熱兩個方面對電子設備熱分析的理論基礎進行了概述,緊接著對熱分析軟件的使用與操作進行了概述,然后從物理建模?網格劃分以及求解步驟與結果對軟件熱仿真建模進行了分析,最后以熱仿真實例進行了舉例分析?在設計電子設備的結構時,使用熱模型可以快速準確地檢索熱設計分析結果,是開發人員最大程度的了解該設備的性能,通過比較和更改進行各種設計優化?一個好的解決方案是不需要調試物理原型的,這就可以減少開發時間,在減少成本的同時提高設計水平?

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