电子设备热分析_热设计及热测试技术综述及最新_电子设备热控制

电子设备热分析_热设计及热测试技术综述及最新

电子设备的过热是电子产品失效的主要原因之一，严重地限制了电子产品性能及 可靠性的提高，也降低了设备的工作寿命。研宄资料表明：半导体元件的温度升 高10°C，可靠性降低50%。因此电子设备内的温升必须予以控制，而运用良好的 散热措施来有效地解决这个问题则是关键。伴随着电子技术的发展，解决电子设 备过热问题的方法也在不断地完善。

解决电子设备过热问题，提高产品可靠性的相关技术称为电子设备热 技术。它主要包括：热分析、热设计及热测试三大技术，是发现解决电子设备热 缺陷不可缺少的技术手段。这三大技术的集成以及在电子产品开发中的并行应用， 可以极大地缩短产品开发周期，提高产品开发设计的经济性，保证电子产品的综 合性會泛。

目前，国外在这方面的技术较为成熟，取得了许多应用和理论上的成 果。而国内由于电子工业的发展落后于国外，因此在电子设备热技术方面的研宄 也相应 滞后，水平较低，尚处于初期阶段，但这几年也逐渐认识到了该研宄 对航空航天及军事方面的重要性及迫切性。

美国在70年代就颁发了可靠性热设计手册；
日本电器公司1985年推出 的巨型计算机己采用水冷技术;而且国外很多公司都在致力于各种电子设备冷却 方法的计算机辅助热分析软件的开发，力求快速准确地计算出电子设备的温度分 布。

JonahonWeiss等人通过对电子元件封装的热分析，提出电子系统可靠 性的关键是保持IC的结点温度低于允许工作温度点。美国奥克兰大学B.Cahlon等对对流冷却及对电子元件的优化布局进行了研宄，建立了电子设备强迫对流冷却 的数学模型。

我国国防科工委也于1992年7月发布了国家军用标准GJB/Z27-92《电 子设备可靠性热设计手册》提供了军用电子设备热设计，热可靠性分析与鉴别的 方法，提供了热设计的基本理论和计算方法，是进行热设计的基本依据。

在机载设备的设计过程中，热分析、热设计及热测试更是电子产品开 发设计必不可少的环节，而同样对于机载设备电子吊舱的环境控制系统进行热分 析、热设计及热测试更是重中之重。北京航空航天大学余建祖等对国内外最具代 表性和先进性的三种电子吊舱环境控制进行了分析和评述，这是电子设备环境级 温度控制的一个典型代表。

对电子设备系统来说，要保证芯片、印制板及整个系统均能可靠地工 作。按电子设备结构层次（芯片级、印制板级、系统级）的不同，相应地也提出 电子设热设计、热分析和热测试，印制板级的热设计、热分析、热测试，环境级 的热设计、热分析和热测试。

芯片级的热设计、热分析和热测试主要研宄芯片内部结构及其封装形 式对传热的影响，计算及分析芯片的温度分布，对材料结构进行热设计，降低热 阻增加传热途径，提高传热效果，达到降低温度的目的。

电路板级的热设计、热分析和热测试主要研宄电路板的结构元器件布 局对元件温度的影响以及电子设备电路板的温度分布，计算出电子元器件的结点 温度，进行可靠性预计，其热设计则是对电路板结构及其元器件进行合理安排， 在电路板及其所在箱体内采用温度控制措施，达到降温的目的。

环境级的热设计、热分析和热测试主要研宄电子设备所处的环境温度 的影响，环境温度是电路板级热分析的重要边界条件，其热设计是采取必要的控 制温度措施使电子设备在适宜的环境温度下工作。

鉴于热设计、热分析和热测试技术对电子设备的芯片、印制板及整个 系统都很关键，下面就对电子设备热设计、热分析和热测试的关键性技术作一分 析。

1热分析主要技术电子设备热分析，又称为热模拟，是利用数学的手段在电子设备的概 念设计阶段获得温度分布的方法，它可以使电子设备设计人员和可靠性设计人员 在设计阶段就能发现产品的热缺陷，从而改变其设计。

热分析方法主要有两类:分析方法和数值方法。

分析法苦于对高阶偏微分方程缺乏有效的求解方法，只能求解一些简 单的问题，但它对定性地分析影响元器件温度的因素很有帮助。

随着现代计算机技术的飞速发展，用数值方法求解传热学问题所占的 比重越来越大。数值方法主要有:有限差分法、有限容积法、有限元素法及有限 分析法等。

有限差分法是求解偏微分数值解的最古老的方法。对简单的几何形状 中的流动与传热问题也是一种最容易实施的方法。其不足的是离散方程的守恒持 性难以保证，而最严重的缺点则是对不规则区域的适用性差。

用有限容积法导出的离散方程可以保证具有守恒性，而且物理意义明 确，对区域形状的适应性也比有限差分法要好，是目前应用最普遍的一种数值方 法，而且随着非结构化网格的研宄，其对不规则几何区域的适应性方面存在不足 的现状也正在改进，有限容积法应有限元法对不规则几何区域的适应性好，但在 对流项的离散处理及不可压缩Navier-stokes方程的原始变量法求解方面不如有限 容积法发展成熟。

有限分析法是80年代初发展起来的一种数值方法，它可以克服在高 Re数下有限差分法及有限容积法的数值解容易发散或振荡的缺点，但其计算工作 量较大，对计算区域几何形状的适应性也较差。

近年来，为了更加迅速、准确地模拟电子设备的温度，许多学者致力 于热分析技术的研究和探索，取得了许多有参考价值的成果。

JoshuaCiLiu等人首次采用边界元法（BEM)计算电子封装系统的温度 分布。该方法首先将元件的基本传热微分方程转化为边界上的传热积分方程，然 后将这些积分方程离散化，利用选点方法求解积分方程，从而获得电子元件的温 度分布。计算机辅助工程分析人员主要依靠有限元法（FEM)解决传热的各种问 题，包括二维、三维线性或非线性的IC封装的传热模型。由于FEM建模方法复杂， 获得计算结果需要较长的时间，影响了电子设备的最终设计。而BEM对于实际问题的建模提供了快速的方法，尤其是对元件的三维模型，对某一设计的参数的 变化能够更加迅速地建立传热模型获得温度分布。美国Rome空军发展中心开发 了计算电路板元件结点温度的专家系统，称之为个人计算机（PC)热分析器，大 大地提高了元件结点温度的计算效率，为可靠性设计人员提供了进行电路板热分 析的选择。在电路板设计阶段，完成传统的热分析需要大量的时间和热分析的专 业知识，而PC热分析器不需要热分析领域里的专业知识，在设计阶段就可获得 有价值的结果。PC热分析器是两个技术领域热分析和专家系统结合的产物。由 于许多可靠性和电子设计工程师缺乏热分析的知识，基于规则的专家系统是最适 合的补救办法。将基本热分析的专家知识规则添加到专家系统框架，就形成了PC 热分析器。研究表明，PC热分析器比传统的有限差分的热分析方法计算速度快、 精度高。半解析法预测印制电路板稳态温度是由JohnNiFunk等人提出的。该方法 对电路板及其上的元件分别建立传热方程，并有各自的解析解。电路板温度的解 析解是采用格林函数方法求解电路板的传热方程获得的；
而芯片的解析解则是利 用分离变量法求解其传热方程得到的。半解析方法运算时间短，精度与有限元法 相同，但是该方法适合于将电路板及其上的元器件简化为长方体的系统。还有许 多学者对PCB板及元件的热性能、温度进行了数值技术确定PCB板的温度分布。

DazGuangLiu等人采用渐进波形估计概念的新技术求解温度分布。

TienzYuTomLee等人采用计算流体动力学（CDF)工具预测便携式电子产品的温 度。

我们对具体的问题作热分析时，要选择适合的热分析方法。

2热设计主要技术与最新进展 热设计的总原则就是自热源至耗散空间（环境)之间，提供一条尽可 能低的热阻通路。解决热阻的方法，一是控制电子元器件的内热阻，也即芯片级 的热设计;二是控制电子元器件或整机设备的外热阻，也即印制板级和环境级的 热设计。目的是控制电子元器件的节点温度，使之在允许的工作温度范围内。

具体来说，电子设备的热设计包括选择合适的冷却方式，布置冷却剂 流型及方向以及排列封装内的电子部件等。对于具体的热设计，在选择冷却方法 时应考虑下列因素：设备的热流密度（或体积功率密度)总功耗，能提供散热的 表面积和体积，设备和元器件工作的允许温升，冷却剂类型，冷却剂流量和入口 温度，环境温度及其它的特殊要求。

目前，可采用的实用且成熟的电子设备热设计方法（或冷却方法）主要有：空气自然对流冷却技术；
空气强迫对流冷却技术；
冷板技术;液体冷却技 术;相变冷却技术(最典型的是蒸发冷却技术）热电制冷技术及热管技术等。而且 热设计手段也在不断地发展着，最典型的有：随着c技术的不断发展而发展的微 通道传热技术;随着航空技术的发展而在不断发展的电子设备吊舱的环境控制技 术；
以及随着航天技术的发展而产生的毛细抽吸两相流技术（CPL)等。

(1)空气自然对流冷却技术是利用设备中各个元器件的空隙以及机壳 的热传导、自然对流和辐射来达到冷却目的，是一种安全、可靠和不需外加动力 的冷却方式，一般应优先考虑。但当电子设备的热流密度超过Q08W/cm2时，这 种冷却方法就已经不能够解决它的冷却问题了。

(2)空气强迫对流冷却由于设计简单、使用方便以及成本低等优点得 到了充分的发展。但是由于空气比热容小，风速受到噪音的限制又不能太大，因 此空气冷却的冷却能力一般不超过10W/cm2。但因为强迫风冷的诸多优点，使得 许多科学家们都在不断力求在这种技术上有所突破，提高它的冷却能力。乔治亚 理 研究例如.W^y等人采用解耦、叠代工大学封装研究中心所研究的微 喷流技术，它是风冷技术的重大进展，它能使风冷散热能力超10W/m2， 重点为冷却单芯片和多芯片组件而研制。还有射流冷却技术满足热流 密度达到100W/m2芯片的冷却要求，成为微电子冷却的一种先进技术。射流冷却 时流体沿芯片法向冲击传热表面，冲击处的速度和温度边界层很薄，因而具有很 高的传热率。

(3)中、高功率密度的电子设备常用强迫气体或强迫液体冷却方法来 控制热点温度，其中最常用的冷却装置就是冷板。它属于一种单相流间接冷却技 术，可靠性较高，结构简单紧凑，表面传热系数高，温度梯度较小，热分布均匀， 可带走较大的集中热负荷。目前，气冷式冷板的功率密度可达155W/om2，液冷 式冷板的功率密度达465W/am。

(4)液体冷却因为高效紧凑，在大热流度芯片冷却上得到了广泛的应 用，从而成为各国研宄的热点。液体冷却可以是单相的，也可以是两相的，气液 相变的冷却由于利用了冷却剂的相变潜热，所以冷却效果更好。主要包括直接冷 却或间接冷却；
气液相变冷却；
液体射流冲击冷却；
滴液及喷淋冷却等。(5)相变冷却技术是利用相变材料的相变过程作为热控制手段来达到 降温的目的，其换热效率高，温度分布均匀，无局部过热点，可靠性好。基本形 式有两种：一种将电子元器件直接浸没在相变物质之中，由发热元件耗散的热量 加热相变材料，使之蒸发沸腾而带走热量。另一种是将相变材料置于受控电子设 备与外界环境之间，一旦电子元件所耗散的热量使材料的温度升至它的熔点时， 相变材料开始融化，并吸收热量，将元件的温度控制在某一温度范围之内。随着 对相变冷却过程的深入研宄，其冷却效果已经取得了较大的发展。如蒸发冷却的 功率密度由过去的150W/om2发展到450WAm2。目前，一种叫超蒸发冷却系统的 装置，已到达了2000W/cm2。同时，对汽液两相流冷却系统在电子设备大功率期 间冷却系统的应用，也取得了相当好的成果。

(6)热电制冷是建立在帕尔贴效应基础上的一种电制冷方法。它的优 点是无噪声和震动，体积小，结构紧凑，操作维护方便，不需要制冷剂，制冷量 和制冷速度可通过改变电流大小来调节。它在恒温和功率密度大的系统中得到了 广泛应用，同时还可以用来冷却低温超导电子器件。克服热电制冷器冷量小和制 冷系数低的不足，提高制冷器能效比及其经济性，是热电制冷设计和使用的关键。

(7)随着热管技术的持续发展及应用，热管散热 已经成为一种很有前途的新型散热方式.典型的毛细热管在工作时， 液体工质在蒸发段被热流加热蒸发，其蒸汽经过绝热段流向冷凝段。在冷凝段蒸 汽被管外冷流体冷却放出潜热，凝结为液体;积聚在冷凝段吸液芯中的凝结液借 助吸液芯的毛细力的作用返回到蒸发段再吸热蒸发，一直如此往复循环。热管传 热能力高，均温性好，具有可变换热流密度的能力，具有良好的恒稳特性，而且 可以制造成体积很小，重量很轻的产品。目前研究的重点已从普通热管转移到微 型热管的高效传热上，例如微型平板热管如图4所示和具有毛细结构翅片的微型 热管等。

MidshjmanBrittW.Boughey在1999年的AD 报告中详细介绍了针对光电发射机散热所研制的平板热管。在文章中 介绍针对发射机设计了平板热管，采用了水作为工质，壳体材料是蒙奈尔铜镍合 金，根据发射机的负荷和其他要求计算热管尺寸和所需工质量。进行理论设计计 算推导，并对热管各个传热计算的校核，加工制造出设计好的热管。随后用实验进行了试验检测，验证对称加热条件和非对称加热条件下热管的一系列的传热性 能:采用了热电偶和红外摄像仪测定平板热管冷凝区域温度；
检测在不均匀加热、 不同加热功率、不同流量下和不同倾角情况下的平板热管的热力性能和参数。最 后分析相关的参数，进行修正和更改，设计出满足工作温度约在100C的发射机 稳定运行的平板热管。

我国自70年代开始研宄，航天部研宄所、船舶重工、南京化工大学、 重庆大学、浙江大学等多家科研单位对热管在航天、化工、工业余热、电子器件 散热等领域的应用展开了研宄。

(8)微通道技术是在定向硅片上或者在基板上利用各向异性蚀刻等技 术制造出微尺度通道，液体在流过微通道时通过蒸发或者直接将热量带走。它是 利用微尺度换热的特殊性来达到高效冷却的目的，是各国研宄的热点。研宄表明， 液体在微通道内被加热会迅速发展为核态沸腾，此时液体处于一个高度不平衡状 态，具有很大的换热能力，通道壁面过热度也比常规尺M寸下的情况要小的多， 而且实验证明冷却液体即使是 单相流经微通道，其冷却效果也比常规尺寸下利用液体核态沸腾来冷 却时要好的多。

微通道散热器的概念最早由Tuckeman和Pease于1981年初提出，并从 理论上证明了水冷却微通道的散热能力可达1000W/cm2,它常被用作冷板，其结 构如图5所示，用于两种流体进行热交换的微尺度换热器首先由SwiftMigliori和 Wheadey于1985年研制出来，其结构如图6所示。

近十几年来，美国斯坦福大学、加州大学各分校、马里兰大学等分别 开展相关课题，并与htelHp等公司合作。而美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室面向 军事需求也较早开始了微通道散热技术研宄。但迄今为止，该领域尚无系统的机 理与理论研究，许多问题值得深入研宄。

美国已研制出冷却液通道宽25/%!，深200/%!，导热片厚15的微型换 热器，用于卫星的温度控制系统。该换热器设计承受的局部热量大于11WAm2， 固定面与工作液体之间的温差为10°C~20°C。

自80年代起，我国的一些大学和科研单位开始了微细尺度下的探索性研宄工作，尤其是在热流体力学基础、微尺度传热传质、微型热管等多方面的理 论和实验研宄，也取得了一些具有国际先进水平的成果。

(9)电子设备吊舱环控系统的核心是制冷系统。由于不能直接采用飞 机发动机高压引气作为动力源，条件的限制，因此如何解决吊舱设备的环境控制 问题，已成为航空低温制冷领域亟待加强研宄的一个新课题。蒸气循环冷却系统， 逆升压式冲压空气冷却系统，以及逆升压回冷式冲压空气冷却系统是目前的主流 环控系统。

(10)CPL技术是20世纪80年代中期之后国际航天热物理学领域中最重 要的研宄课题。如图7、图8所示，CPL主要由蒸发器冷凝器以及它们间的汽液连 通管道和贮液器等组成。当外部热负荷加于蒸发器时，热量通过管壁传入毛细芯 内的工作介质，工作介质受热蒸发，蒸汽通过蒸汽通道流向冷凝器。蒸汽在冷凝 器凝结并放出汽化潜热，热量通过管壁传递到外部热沉(如辐射器）排散。在冷 凝器凝结下来的工作液体管道流回蒸发器。在此处，液体继续吸热蒸发流动，循 环工作，连续有效地把热量传输到热沉。它具有良好的传热性能，无运动部件， 工作安全可靠，而且系统的运动无需消耗动力。

(11)电路板上元器件的优化布局是目前印制板 级热设计研宄得较多的一种方法，它是降低印制板电子设备温度最经 济的方法。美国奥克兰大学BiCahlon等人采用组合优化理论一模拟退火算法，搜 寻电路板元件的最优布局，使得系统温度的目标函数最优。例如，电路元器件结 点的最高温度最低。但是，目前缺乏计算机辅助热设计工具，因此，电气设计和 可靠性设计人员进行热设计困难很大。

3热测量主要技术 对电子设备进行热测量，主要有接触式和非接触式测试两种。

接触式测温法有热电偶温度传感器测量法、集成电路温度传感器测量 法、热敏电阻传感器测量法和光纤温度传感器测量法等。接触式测温法具有精确、 可靠和直观等特点，对封闭在腔体内的各种组件、器件的温度测量和大空间远距 离多点的温度测量大都采用这种方法。但这种方法在多点的温度测量中，传感器 安放繁琐复杂、工作量大和检测效率低。非接触式测量法主要是红外测温法。由于被测物体的黑率受材料本身 的性质、表面状态、温度等多种条件的影响，不易确定，因而影响其测量精度；

同时，只能测量相对测量仪表面的温度，所以其使用场合受到测量空间的限制。

但这种类型的仪器在测量中不必与被测物体相接触，不会破坏原热场；
同时，消 除了接触式测温中传感元件与被测物体之间的接触热阻，这是该方法的优点。

总之，热测量方法是获得温度分布精度最高的方法，用于对电子设备 中的关键器件、模块或系统的温度及其分布、流量、压降等三个热性能参数进行 测量，检验其测量值与预计值的偏离程度。可见，热测量是热设计工作后期的一 个重要步骤，是对热设计效果的检验。通过对测量结果的分析，评估电子设备的 热性能指标，为电子设备的可靠性预计、分析、评估提供重要依据。由于其代价 太高，一般直到最后的样机阶段才采用该方法，也是获得热分析所需要热特性参 数的唯一手段。但是，目前的热测量系统还不能实时分辨热分析所需要的热特性 参数，从而修改热分析软件的数据库。

4结束语 热分析、热设计及热测试技术是提高电子产品可靠性必不可少的方法， 对电子设备应该从元件、电路板及环境三个层次进行热分析、热设计及热测试。

随着传热学、热能工程、流体力学、计算机等学科进一步的发展以及新仪表、新 材料的出现，电子设备的热分析、热设计及热测试技术必定会取得更大的成果。

目前，国内外还没有热分析、热设计及热测试技术集成为一体的计算机辅助系统。

该系统的研制，将给电子设备设计人员和可靠性人员提供一个良好的热分析、热 设计及热测试环境，加快产品的设计开发，提高电子产品的可靠性。因此，电子 设备热分析、热设计及热测试一体化技术具有很大的研究潜力和价值。