6 熱仿真
6.1 熱仿真目的
通過(guò)建立合適的模型進(jìn)行熱分布和熱特性分析，使得產(chǎn)品在不損害電氣性能、并符合可靠性要求、使設(shè)備的壽命周期費(fèi)用降至最低的前提下，實(shí)現(xiàn)熱設(shè)計(jì)的目標(biāo)。通過(guò)熱仿真實(shí)現(xiàn)合理的熱分布，選定最佳的熱設(shè)計(jì)方案或?qū)σ讯ǖ臒嵩O(shè)計(jì)方案做出評(píng)估。
6.2 熱仿真軟件
基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)CFD 的熱仿真軟件已達(dá)50 多種。比較典型的有Flotherm、Icepak、Ansys 等。其中Flotherm、Icepak 都是專(zhuān)門(mén)針對(duì)電子產(chǎn)品熱設(shè)計(jì)的專(zhuān)業(yè)仿真軟件，具有強(qiáng)大的功能和數(shù)據(jù)庫(kù)，在全球電子產(chǎn)品熱仿真軟件市場(chǎng)上占據(jù)80%以上的份額。IcePAK 是完全交互的、面向?qū)ο蟮囊环N熱分析軟件，采用有限體積法（FVM），在求解器中采用了具有多重網(wǎng)格功能的算法。Flotherm 可以解決電子封裝、電路板設(shè)計(jì)和系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)所遇到的冷卻問(wèn)題，它是一個(gè)來(lái)源于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)CFD 的分析軟件，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，是CFD 領(lǐng)域非常優(yōu)秀的分析軟件。
6.3 熱仿真依據(jù)
熱仿真的主要依據(jù)是產(chǎn)品研制規(guī)范、系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案中規(guī)定的產(chǎn)品工作環(huán)境特性、熱特性參數(shù)和結(jié)構(gòu)形式。
6.4 熱仿真的一般步驟
6.4.1 建立模型
仿真分析模型要根據(jù)設(shè)備的熱傳遞路徑和流場(chǎng)的情況來(lái)合理處理某些構(gòu)件，做到既反映真實(shí)的流場(chǎng)情況和傳熱路徑，又忽略不很重要的細(xì)節(jié)，使模型得到合理簡(jiǎn)化，這樣，在兼顧仿真準(zhǔn)確性的同時(shí)，又有助于縮短計(jì)算時(shí)間。另外，要根據(jù)分析的目的來(lái)建立模型，如當(dāng)我們進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)分析時(shí)，對(duì)芯片就可以以簡(jiǎn)單的模型來(lái)表示，但進(jìn)行單板、芯片級(jí)分析，求器件結(jié)（殼）溫時(shí)，對(duì)芯片的各部分就要詳細(xì)建模。
一般來(lái)說(shuō)，建模需要以下的條件：
（1） 系統(tǒng)環(huán)境溫度、輻射、風(fēng)速、壓力；
（2） 介質(zhì)類(lèi)型、介質(zhì)物性和熱特性；
（3） 結(jié)構(gòu)幾何尺寸、幾何位置及物性；
（4） 熱耗的分布和熱屬性；
（5） 風(fēng)機(jī)型號(hào)及風(fēng)機(jī)特性曲線；
（6） 通風(fēng)孔的分布及大小；
6.4.2 賦于屬性
模型中的每一個(gè)物體，都要賦予合適的屬性，這些屬性包括位置、大小、材料、表面狀況、導(dǎo)熱系數(shù)等。
6.4.3 設(shè)置求解域和相應(yīng)的邊界條件
求解域是熱仿真軟件求解器計(jì)算的空間區(qū)域，它可以和建立的模型相同大小，也可以大于模型6.4.4 劃分網(wǎng)格
模型完成后，下一步就是劃分網(wǎng)格。網(wǎng)格劃分常犯的錯(cuò)誤是：要么網(wǎng)格數(shù)太多，要么太少。合適的網(wǎng)格劃分，能保證求解時(shí)既可以很好地收斂，又不影響結(jié)果的準(zhǔn)確性。網(wǎng)格劃分的一般原則是：關(guān)鍵點(diǎn)公差設(shè)置為1--2；每個(gè)網(wǎng)格的長(zhǎng)寬比小于（等于）20；網(wǎng)格任意方向的大小要大于求解域X10-6；網(wǎng)格大小在某個(gè)方向的變化要漸進(jìn)，不能太劇烈；靠近邊界的地方，網(wǎng)格要小。
6.4.5 求解
模型求解就是計(jì)算機(jī)對(duì)虛擬樣機(jī)模型進(jìn)行數(shù)值求解的過(guò)程，求解所需要的時(shí)間長(zhǎng)短，主要和模型的復(fù)雜程度、網(wǎng)格劃分有關(guān)。在求解前，要對(duì)模型進(jìn)行自動(dòng)檢查，一般的熱仿真軟件會(huì)給出系統(tǒng)存在的信息、警告和錯(cuò)誤。求解過(guò)程中的主要問(wèn)題是計(jì)算的收斂性，計(jì)算是否收斂與模型的建立和網(wǎng)格劃分有很大的關(guān)系，常常需要經(jīng)過(guò)反復(fù)的修改。
6.4.6 結(jié)果分析
結(jié)果分析就是以各種圖形、表格或報(bào)告的形式，直觀地顯示模型的溫度場(chǎng)和流場(chǎng)，設(shè)計(jì)人員通過(guò)分析，判斷設(shè)計(jì)的優(yōu)劣、發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題并提出改進(jìn)方案。
在分析過(guò)程中，可以各種可視化圖形功能和數(shù)據(jù)列表功能來(lái)觀察以下變量：溫度、壓力、流量、流速和流向、風(fēng)機(jī)風(fēng)壓和風(fēng)量（風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)）、風(fēng)阻。一般熱仿真軟件提供了豐富的云圖，不但可以沿X、Y、Z 三個(gè)方向生成截面，而且可以用粒子流動(dòng)跡圖、等值線圖等，從不同角度和方向觀察流場(chǎng)和溫度場(chǎng)。
如果仿真結(jié)果達(dá)不到《研制規(guī)范》的熱設(shè)計(jì)指標(biāo)，則可以提出改進(jìn)意見(jiàn)并修正模型重新進(jìn)行仿真，或進(jìn)行實(shí)物模擬測(cè)試，直到得到一個(gè)滿意的方案為止。
7 熱測(cè)試的方法和原則
7.1 熱測(cè)試的目的
熱測(cè)試的目的是對(duì)熱設(shè)計(jì)的效果進(jìn)行檢驗(yàn)，對(duì)冷卻系統(tǒng)的適用性和有效性進(jìn)行評(píng)價(jià)，除了檢查新設(shè)計(jì)的冷卻系統(tǒng)是否達(dá)到預(yù)定技術(shù)指標(biāo)外，還要對(duì)機(jī)架、集中發(fā)熱元器件、整機(jī)系統(tǒng)的熱特性參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，為熱設(shè)計(jì)提供技術(shù)數(shù)據(jù)。
溫度是影響電子設(shè)備工作可靠性的重要應(yīng)力。實(shí)踐表明，電子元器件的失效率隨溫度的增加呈指數(shù)型增加。因此，應(yīng)通過(guò)對(duì)設(shè)備中的關(guān)鍵部位進(jìn)行溫度測(cè)量，了解元器件或設(shè)備的熱應(yīng)力情況，評(píng)價(jià)設(shè)備的熱特性。本文所說(shuō)的熱測(cè)試主要指溫度的測(cè)量。
7.2 測(cè)試方案的制定
在進(jìn)行系統(tǒng)熱測(cè)試前，制定完備的熱測(cè)試方案可減少測(cè)試的重復(fù)次數(shù)。一個(gè)好的測(cè)試方案，應(yīng)該能使他人根據(jù)測(cè)試的結(jié)果，分析出系統(tǒng)熱設(shè)計(jì)方案的優(yōu)劣及熱設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題。
7.2.1 測(cè)試環(huán)境
系統(tǒng)的熱特性是與周?chē)h(huán)境密切相關(guān)的，測(cè)試時(shí)系統(tǒng)配置應(yīng)與實(shí)際使用時(shí)散熱最?lèi)毫拥呐渲靡恢隆?br />
對(duì)強(qiáng)制風(fēng)冷的系統(tǒng)，應(yīng)至少測(cè)試堵轉(zhuǎn)一個(gè)風(fēng)扇時(shí)系統(tǒng)的溫升。
測(cè)試數(shù)據(jù)的記錄，應(yīng)在溫度穩(wěn)定之后進(jìn)行。
7.2.2 測(cè)試點(diǎn)的選擇
系統(tǒng)的進(jìn)、出風(fēng)口溫度；
系統(tǒng)中可能存在的最高空氣溫度（一般靠近發(fā)熱量大的器件或風(fēng)速小、有回流的地方）和最低空氣溫度；
熱耗較大的分立器件、集成電路的表面溫度，應(yīng)至少包括熱耗超過(guò)1W 的器件；
熱敏感器件的溫度；
如果系統(tǒng)中存在局部熱流密度集中的區(qū)域，需測(cè)試該處PCB 的溫度；
如果系統(tǒng)中有較大的散熱器，考慮測(cè)量散熱器溫度最高點(diǎn)和最低點(diǎn)的溫差，溫度最高點(diǎn)通常位于大功率器件中心正上方，最低點(diǎn)位于散熱器邊緣。
7.3 傳感器的安裝
安裝熱電偶傳感器之前，首先要檢查熱電偶的結(jié)點(diǎn)。熱電偶的兩種材料必須在結(jié)點(diǎn)處緊密接觸。推薦采用熔融焊將兩種不同的材料結(jié)合在一起，不能采用釬焊等其它焊接方式，因?yàn)闀?huì)在結(jié)點(diǎn)處混入其它金屬，降低測(cè)試的精度。
熱電偶固定一般采用導(dǎo)熱膠粘接，應(yīng)保證結(jié)點(diǎn)與被測(cè)表面的物理接觸。粘接完畢后，需對(duì)熱電偶的引線進(jìn)行適當(dāng)?shù)墓潭?，避免結(jié)點(diǎn)松動(dòng)。
7.3.1 測(cè)試器件表面溫度時(shí)傳感器的安裝位置
測(cè)試器件的表面溫度時(shí)，測(cè)量點(diǎn)應(yīng)盡量選取靠近結(jié)的地方。
圖2 所示為常用的測(cè)溫位置，通常選擇最靠近發(fā)熱部位的表面進(jìn)行測(cè)量。對(duì)于圓柱形器件，如電解電容，通常測(cè)量頂部；對(duì)于半導(dǎo)體器件，主要根據(jù)器件資料上所提供的熱阻值來(lái)確定測(cè)量位置，如果沒(méi)有提供任何熱阻，就按照字母順序進(jìn)行。
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