0引言

電子設(shè)備的主要故障模式是熱失效,其中超過55%是由于冷卻系統(tǒng)設(shè)計不佳造成的?隨著溫度的升高,熱量增長的效率呈指數(shù)增長,一些電子器件隨著環(huán)境溫度每增加10°C,故障率就提高一倍左右?因此,電子設(shè)備的熱設(shè)計和熱分析技術(shù)長期以來都受到了國內(nèi)外研究部門的關(guān)注?現(xiàn)有的熱設(shè)計通常基于經(jīng)驗上的傳熱方程?在成品完工時進(jìn)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(shè)計過程十分浪費時間和資源?顯然,這種傳統(tǒng)的熱設(shè)計方法已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代生產(chǎn)的需要,因此,有必要在產(chǎn)品設(shè)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(tǒng)的熱分布,并在產(chǎn)品設(shè)計階段進(jìn)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(zhí)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(nèi),更好的滿足設(shè)計要求?

1計算機(jī)輔助熱分析的數(shù)值法

電子計算機(jī)熱分析的基礎(chǔ)是傳熱的計算,其數(shù)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(shù)學(xué)基礎(chǔ)是用差分來代替微分

能量守恒定律是熱傳導(dǎo)問題中有限差分法的物理基礎(chǔ)?通過觀察有限差分方程,可以發(fā)現(xiàn)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(xiàn)有邊界條件中推導(dǎo)出差分方程?解決物體溫度在時間和空間上連續(xù)分布問題,實現(xiàn)時間和空間領(lǐng)域中有限數(shù)量的不連續(xù)溫度以及準(zhǔn)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(xù)的溫度分布?廣泛用于電子設(shè)備的熱分析技術(shù),其熱節(jié)點網(wǎng)絡(luò)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(zhuǎn)換為局部的熱分布,將各個區(qū)域內(nèi)的零散的熱分布集中在節(jié)點上,零熱量表示連接節(jié)點的熱阻為零,基于熱平衡原理建立各節(jié)點的熱平衡方程,通過聯(lián)合求解方程得到各節(jié)點的適當(dāng)溫度?如果整個區(qū)域有足夠的節(jié)點,某些區(qū)域的不連續(xù)溫度分布將取代該區(qū)域內(nèi)的連續(xù)溫度分布?第1步:掃描連續(xù)區(qū)域,將各個區(qū)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(jié)點連接到熱阻,并根據(jù)熱平衡原理設(shè)置其方程?步驟3:在獲得每個節(jié)點的溫度后求解方程,需要注意的是,如果該區(qū)域中的節(jié)點數(shù)量很大,則每個點的不連續(xù)溫度分布可以代替連續(xù)的溫度分布?

1.2有限元法是根據(jù)變分原理求解問題的一種數(shù)值計算方法

主程序需要遵循區(qū)域的不連續(xù)性,將每個區(qū)塊的插值函數(shù)與每個區(qū)塊配置的函數(shù)表示出來,并與每個點處的極端溫度值形成代數(shù)方程,再將代數(shù)方程求解,它是一種強(qiáng)大的數(shù)值計算方法,可以實現(xiàn)微分方程的熱量分布處理,然后可以通過計算機(jī)輔助編譯,更好的解決問題?此方法在對電子設(shè)備進(jìn)行熱分析時,則需要執(zhí)行以下步驟:首先,掃描該區(qū)域并列出每個塊的功能表達(dá)式;其次,形成每個塊的插值函數(shù),并構(gòu)造函數(shù)的極點和最后的代數(shù)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(jié)合了有限元和有限差分方法的優(yōu)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(qiáng),計算的更快?大多數(shù)現(xiàn)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(xué)計算,是基于守恒方程的積分形式,可以在計算網(wǎng)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(shè)備熱分析的理論基礎(chǔ)

2.1傳導(dǎo)效應(yīng)

傳導(dǎo)效應(yīng)是傳熱的主要形式之一,由于其本質(zhì)是熱傳導(dǎo)過程,也稱為熱傳導(dǎo),可以基于傅里葉定律來表達(dá)?如果物體的溫度分布取決于單個空間坐標(biāo),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(jìn)行傳遞,這稱為一維固定熱傳導(dǎo)?在一般情況下,熱導(dǎo)率的溫度取決于時間和X,Y,Z三個坐標(biāo),并且在熱交換過程中非常容易被消耗?此時,導(dǎo)熱率被稱為三維不穩(wěn)定導(dǎo)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(qiáng)制對流?由于PA/PM和其他設(shè)備在電話板上都被設(shè)有屏蔽罩,因此空氣屏蔽罩一般都是處于靜止?fàn)顟B(tài)?因此,在移動電話的電路板中,靜電對流主要是靜態(tài)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(lǐng)域中通常考慮兩個或更多個物體之間的輻射,并且系統(tǒng)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(jù)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(yīng)用程序數(shù)量的不斷增長,許多公司已經(jīng)擴(kuò)展了對熱分析軟件的研究工作,并開發(fā)了幾個專業(yè)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(shè)備的熱分析?該系統(tǒng)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(jī)?為了計算總能耗,我們做出以下假設(shè):一部典型的手機(jī),長170毫米,寬70毫米,表面溫度均勻?在表面發(fā)射率為0.8的保守假設(shè)下,當(dāng)環(huán)境溫度為25℃時,輻射熱傳導(dǎo)產(chǎn)生的熱功耗占據(jù)總功耗的一半以上?因此必須仔細(xì)設(shè)計參數(shù),以達(dá)到41℃的接觸溫度?為了避免手機(jī)可能存在的高溫現(xiàn)象,表面溫度不超過最大允許接觸溫度,并保證其散熱系統(tǒng)?創(chuàng)建模型時,需要定義一些基本參數(shù):(1)環(huán)境變量:環(huán)境溫度為25℃;(2)基本參數(shù):對應(yīng)模型的外部尺寸;(3)電源設(shè)置:安裝每個組件,測試其耗電量;(4)材料參數(shù):該型號包含金屬?塑料?銅和其他組件,并定義各個導(dǎo)熱系數(shù)?

4.2網(wǎng)格劃分

一旦確定了需要求解的區(qū)域,就需要劃分需要計算的網(wǎng)格?執(zhí)行系統(tǒng)網(wǎng)格預(yù)設(shè)和增量細(xì)分設(shè)置?在大多數(shù)情況下,可以使用網(wǎng)格約束,即添加局部網(wǎng)格和網(wǎng)格位置,以便將網(wǎng)格精確設(shè)置在需要溫度梯度大的位置上?在創(chuàng)建網(wǎng)格時要特別注意網(wǎng)格的質(zhì)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(jié)果

在IGBT塊上安裝多個溫度傳感器,例如正向?反向?側(cè)面等檢測位置,其設(shè)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(dǎo)熱材料進(jìn)行檢測?在本研究中,假設(shè)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(dǎo)熱性的材料,求解的固體中的熱傳導(dǎo)方程?高斯定律等,基本的輸出量是溫度?焦耳等?熱傳導(dǎo)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(dǎo)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(tài)情況下)以及空間的函數(shù)?

主要的仿真步驟如下:第一:建立好物理機(jī)構(gòu);第二:設(shè)置好仿真區(qū)?網(wǎng)格以及Solver;第三:設(shè)置邊界條件;第四:指定熱源;第五:檢查網(wǎng)格等;第六:添加監(jiān)視器;第七:進(jìn)行仿真計算以及分析?

產(chǎn)生的局部溫度變化對某結(jié)構(gòu)的折射率影響是可以通過監(jiān)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(jìn)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(dǎo)熱率?增加散熱器面積和改變物體的顏色深度是熱保護(hù)的有效應(yīng)對方法?散熱需要將局部熱量盡可能均勻地分布到整個機(jī)身,慢慢的將熱量發(fā)散到外部?由于手機(jī)的相機(jī)和CPU部件是熱點最為集中的,要想實現(xiàn)散熱功能,一種方案是增加導(dǎo)熱系數(shù)高的材料,比如石墨導(dǎo)熱片?通過仿真模擬增加石墨導(dǎo)熱片的效果,并與不增加時做對比,以確定是否使用?仿真結(jié)果如表1所示?

軟件仿真模擬結(jié)果表明,加入石墨導(dǎo)熱片后,最高溫度被有效的降低了,且整個機(jī)身的溫度也更均勻了?因此,設(shè)計規(guī)劃加入石墨導(dǎo)熱片是有效的,可以引入到以后的設(shè)計中?

6結(jié)論

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

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