某电子设备热分析及Icepak软件应用.docx

1、某电子设备热分析及Icepak软件应用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

2、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(图1.1)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(图1.2)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。图1.1 元器件失效构成元素

3、图1.2 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

4、如何加强或削弱热量的传递。2.1 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。2.2 传热的基本方式2.2.1 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(2.1)式中：负号表示热量传

5、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，。2.2.2 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(Newtons law of cooling)： 式(2.2)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。2.2.3 辐射换热4辐射换热(radiative heat

6、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(StefanBoltzmann)定律揭示： 式(2.3)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。2.3 电子设备热设计2.3.1 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

7、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。2.3.2 热设计的基本原则对电子设备进行合理的热设计，是为了用较少的冷却代价获得高可靠的电子设备。热设计必须满足两个条件：把设备的温度限制在某一最大和最小的范围内；尽量使设备内各点之间的温差最小。因此，热设计的基本原则如下：1)保证冷却系统具有良好的冷却功能，即要保证设备内的元件均能在规定的热环境中正常工作。2)对密封设备，必须同时考虑内部和外部的两种热设

8、计方案，使其从内部向外部件传递的热阻减至最小。3)保证冷却系统工作的可靠性。4)冷却系统要具有良好的适应性。5)冷却系统要便于使用维修，便于测试和更换元件。6)冷却系统的设计要有良好的经济性，使其成本只能占整个设备成本的一定比例。设计一个较好的冷却系统，必须综合各方面的因素，使其既能满足冷却要求，又能达到电气性能的指标，所用的冷却代价最小，结构紧凑，工作可靠。而这样一个冷却系统往往要通过一系列的技术方案论证之后才能得到。这里要遵循的原则是：最佳的热设计应是能满足技术要求的最简单的方案。2.3.3 热设计的基本步骤现在进行电子元器件系统设计的时候，一般都要进行热设计，热设计的主要步骤：1)掌握与

9、热设计有关的标准、规范及其他相关文件，确定设备或元件的功耗和散热面积，散热器或冷却剂的最高和最低环境温度范围；2)确定可以利用的冷却技术和限制条件；3)对每个电子元器件进行应力分析，并根据设备可靠性确定每个元器件的最高允许温度；4)选择适当的热分析方法，例如热电模拟法或计算机数值模拟法；5)选择冷却方案，计算成本，对多种方案进行优化选择；6)热设计的同时还应考虑可靠性、安全性、维修性及电磁兼容性等的设计。2.3.4 散热方式为了避免热量在电子元器件系统内堆积而影响电子元器件系统的运行可靠性，必须采取一定的方式或方法把多余、有害的热量及时的散发出去。电子设备(或元件)产生的热量可以用各种冷却方法

10、，单独地或由几种冷却方法联合作用将热只从设备中(或元件上)带走，或传送到设备外的周围介质中去。电子设备冷却系统可以简略地按下列两种基本原则分类：1.按冷却剂与被冷却元件之间的配置关系分1)直接冷却这种方法是冷却剂进入电子设备后，直接与被冷却元件相接触，将元件的热量带定，达到冷却的目的。2)间接冷却设备内部的冷却剂通过所有的发热元件，将接收到的热量传到设备的外壳，再通过外部的一个热交换器，由外部冷却剂将热量散掉。2.按传热机理分1)自然冷却在发热密度不高的电子设备中，例如一般的电子仪器，自然散热应用得比较多。自然散热的主要任务是通过合理的热设计，特设备内部的热量以最低的热阻畅通地排到设备外部的环

11、境中，保证电子设备在允许的温度范围内正常地工作。2)强迫冷却强迫冷却包括强迫风冷和强迫液体冷却，强迫对流换热是利用通风机或泵，驱使工作流体(空气或液体)流经发热表面，把热量带走的一种冷却方法。流体速度越高，发热面与流体问形成的边界层的热阻就越小，带走的热量就越多。在电子设备中，强迫风冷的能力比自然散热大十倍左右。而强迫液体冷却的散热能力比风冷还要大十倍以上。但是，强迫冷却系统与自然散热系统相比较，成本、噪声和复杂性增加了。对液冷系统而言，尺寸和重量也部增加了。因此，从可靠性角度而言，强迫冷却系统不如简单的自然散热系统。在强迫对流冷却系统中，可能出现两种流动状态层流和紊流。从散热效果考虑，希望处

12、于紊流状态，因为紊流时，冷却效果好。但是紊流时，流体流动速度较离，通过系统的压力损失比较大总既要求通风机或泵的驱动功率较大，但是增加了通风机的尺寸和重量。因此，设计时要综合考虑，以便获得一个比较理想的冷却系统。3)蒸发冷却蒸发冷却是利用液体沸腾时吸收汽化潜热的原理制成的一种冷却装置。由于它具有单位面积散热功率大、过裁能力强、维护简单等优点，目前为大功率发射机(雷达发射机、广播与电视发射机等)的发射管冷却所普遍采用。4)其他冷却方法电子设备的散热除了上述几种基本的冷却方法外，还有半导体致冷，热管传热等方法。2.3.5 散热方式的选择散热方式的选择应保证设备既能满足电气性能的要求，又能满足热可靠性

13、的指标。选择散热方式时，应考虑下列因素：设备的热流密度、体积功率密度、总功耗、表面积、体积、工作环境条件（温度、湿度、气压、尘埃）、热沉及其它特殊条件等。确定散热方法的主要程序如图2.1所示。图2.1 散热方法选择程序散热方法确定之后，应该仔细研究电子设备中各种电子元件的安装方案和设备的整体结构形式。从热设计要求出发，应尽量减小传热路径的热阻，合理布置发热元件与热敏元件的位置，注意印刷电路板放置的方向以及它们之间的间距；冷却空气的通道是否合理，会不会产生气流短路和回流现象等。3 电子热分析软件ICEPAK简介ICEPAK软件是由全球最优秀的计算流体力学软件提供商Fluent公司，专门为电子产品

14、工程师定制开发的专业的电子热分析软件。作为专业的热分析软件，可以解决环境级、系统级、板级、元件级等各种不同尺度级别的散热问题。借助ICEPAK的分析和优化结果，用户可以减少设计成本、提高产品的一次成功率(get-right-first-time)、改善电子产品的性能、提高产品可靠性、缩短产品的上市时间。3.1 自动网格生成ICEPAK具有自动化的非结构化网格生成能力。支持四面体、六面体以及混合网格类型，网格参数完全由用户自行控制，如果需要，可对某个元件的网格进行加密，局部加密不会影响到其它区域和元件的网格。3.2 广泛的模型能力Icepak拥有用户模拟过程所需要的各种物理模型，包括流动模型和传

15、热模型。这些模型具有足够的精度和可靠性。传热模型包括强迫对流、自然对流和混合对流模型、固体中的热传导模型、流体与固体之间的耦合传热模型、物体表面间的热辐射模型。另外，用户还可以模拟层流、湍流、稳态及非稳态流动。3.3 解算功能求解器采用FLUENT全球最强大的CFD（计算流体动力学）求解器；采用有限容积法(Finite Volume Method），结构化与非结构化网格的求解器；并行算法，能够实现UNIX或NT的网络并行。3.4 可视化后置处理面向对象的、完全集成的后置处理环境：可视化速度矢量图、等值面图、粒子轨迹图、网格图、切面云图、点示踪图；图片输出格式有：postscripts，PPM，

16、TIFF，GIF，JPEG和RGB格式；动画输出格式有：Avi，MPEG，Gif；后处理的结果可以输出到I-deas，Patran，Nastran，Ansys等结构分析软件。4 某电子设备热分析4.1 工况分析某电子设备如图4.1所示(详细尺寸请参照零件图“正交器”和装配图“和正交器及方圆过渡”)，已知：元件材质：H96；散热片材质：H62；耗散功率：P=411.8W；发热源为波导内壁各表面；环境温度：；最高温度：。试分析风冷散热达到允许温度范围时元件外壁加散热片的大小、形状、厚度及密集程度等各项参数，以及风流量的大小方向等要求。由于元件的总功率较高，而要求的最高容许温度较低。若要在实际样机中

17、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，致使设备报废。所以，先在Icepak中模拟其发热情况，找出温度分布情况。若达不到要求，就应采取散热措施，直到温度被控制到容许的范围内。图4.1 某电子设备4.2 创建材料物体的黑度是实际物体的辐射力与同温度下黑体的辐射力之比。黑度的大小与物体的材料、温度以及表面氧化程度和涂覆情况有关。由试验方法测得物体黑度的结果表明：物体氧化程度越高，黑度也越高2-4。所以，为了提高物体的黑度，需要对元件表面采取黑色氧化处理。所定义的材料具体参数如表4.1所示。表4.1 材料参数DensitySpecific heatConductivity电子元

18、件材料H968.85 gcm3387.0 J/kg-C244.93 W/m-C散热片材料H628.43 gcm3385.2 J/kg-C244.93 W/m-C黑色氧化处理层材料faceEmissivity 0.94.3 建立模型要建立模型，首先改变cabinet到合适尺寸，然后创建cabinet中的对象。在建模时为了便于在实体上开孔，用l2边形代替圆。在实体上开孔时必须注意：若想要在圆柱体上开多边形或矩形孔，直接用openings是无法实现的，必须用block块，且block type选择fluid才能实现。图4.2为某电子设备热分析模型。图4.2 某电子设备热分析模型4.4 网格生成网格生

19、成是CFD建模中最重要的一方面，一般通过两步来生成网格。首先会生成粗网格并检查网格来确认什么地方的网格需要加密。然后指定单个物体的网格参数设置加密网格生成细网格并再次显示网格以生成好的网格来满足求解。图4.3为某电子设备热分析模型生成的细网格。图4.3.1 细网格(-X方向视图)图4.3.2 细网格(-Y方向视图)4.5 求解计算对计算模型进行求解前，要先设置迭代步数和收敛标准。Icepak软件在流动和传热问题上，求解3个控制方程，即连续方程(质量守恒方程)、动量守恒方程(速度分布)和能量守恒方程(温度分布)。计算过程中若发现其中任何一个方程不收敛，就需要终止求解，重新检查模型并查看网格划分是

20、否有误，修改完后重新求解，直至迭代收敛。图4.4给出了原始模型在自然对流散热情况下的温度云图。图4.4 原始模型的温度云图注意到某电子设备的“”字形交叉处是计算域中最热的地方(图中红色区域)，最高温度，远远高于某电子设备的最高设计容许温度：。为了使某电子设备实体的最高温度降到可接受的范围之内，保证符合设计要求，这就需要对其采取散热措施。比较简便有效的措施包括：增加散热片；加装风机，强迫对流换热。为了减少元件工作时的噪音和维修，提高系统可靠性，首先采取加散热片的方式；若不能满足要求，再加风机，实行强迫对流。4.6 改进一：增加散热器4.6.1 建立模型在加散热片时，散热片的位置如何放置，散热片的

21、肋片厚、肋间距、底板的尺寸为多少才能达到最优，在Icepak中可反复计算对比其结果。Icepak本身提供了“参数式分析”来处理，也就是利用它的trials功能，将散热片的某些参数设为变量，赋其一系列值，Icepak将同时计算出各种模型在不同厚度值时的求解结果。这样既节省时间又减少麻烦。图4.5为加装散热器后的某电子设备热分析模型。图4.5 加装散热器后的热分析模型4.6.2 网格生成参照第4.4节，图4.6为加装散热器后的某电子设备热分析模型生成的细网格。图4.6.1 加装散热器后的某电子设备的细网格(-X方向视图)图4.6.2 加装散热器后的某电子设备的细网格(-Y方向视图)4.6.3 求解

22、计算参照第4.5节，图4.7给出了加装散热器后的某电子设备的温度分布图。图4.7 加装散热器后的温度云图注意到某电子设备的“”字形交叉处的上端部分是计算域中最热的地方(图中红色区域)，最高温度，远高于某电子设备的最高设计温度：。为了使某电子设备实体的最高温度降到可接受的范围之内，保证符合设计要求，在以前保存的项目基础上进行改进，改进的方法是增加风扇(fan）。4.7 改进二：增加一个进气风扇4.7.1 建立模型在加风扇时，风扇的位置如何放置，风扇的直径、风流量的大小为多少才能达到最优，在Icepak中可利用其本身提供的“trials”功能反复计算对比其结果。图4.8为加装一个进气风扇后的某电子

23、设备热分析模型。图4.8 加装一个进气风扇后的热分析模型4.7.2 网格生成参照第4.4节，图4.9为加装一个进气风扇后的某电子设备热分析模型生成的细网格。图4.9.1 加装一个进气风扇后的某电子设备的细网格(-X方向视图)图4.9.2 加装一个进气风扇后的某电子设备的细网格(-Y方向视图)4.7.3 求解计算参照第4.5节，图4.10给出了加装一个进气风扇后的某电子设备的温度分布图。图4.10 加装一个进气风扇后的温度云图注意到计算域中最热的地方(图4.10中红色区域)，最高温度，仍然高于某电子设备的最高设计温度。为了使某电子设备实体的最高温度降到可接受的范围之内，保证符合设计要求，在以前保

24、存的项目基础上进行改进，改进的方法是在增加一个排气风扇(fan）。4.8 改进三：增加进气和排气风扇4.8.1 建立模型参照第4.7.1节，图4.11为加装进气和排气风扇后的某电子设备热分析模型。图4.11 加装进气和排气风扇后的热分析模型4.8.2 网格生成参照第4.4节，图4.12为加装进气和排气风扇后的某电子设备热分析模型生成的细网格。图4.12.1 加装进气和排气风扇后的某电子设备的细网格(-X方向视图)图4.12.2 加装进气和排气风扇后的某电子设备的细网格(-Y方向视图)4.8.3 求解计算参照第4.5节，图3.13给出了加装一个进气风扇后的某电子设备的温度分布图。图4.13 加装

25、进气和排气风扇后的温度云图注意到计算域中最热的地方(图4.13中红色区域)，最高温度，已经低于某电子设备的最高设计温度：，符合设计要求。5 结论本论文利用Icepak软件建立某电子设备的散热计算模型，并计算了风冷散热达到允许温度范围时元件外壁加散热片的大小、形状、厚度及密集程度等各项参数，以及风流量的大小方向等参数要求。改进一：增加散热器注意到某电子设备的“”字形交叉处的上端部分是计算域中最热的地方(图4.7中红色区域)，最高温度，远高于某电子设备的最高设计温度：。为了使某电子设备实体的最高温度降到可接受的范围之内，保证符合设计要求，在以前保存的项目基础上进行改进，改进的方法是增加风扇(fan

26、）。改进二：增加一个进气风扇注意到计算域中最热的地方(图4.10中红色区域)，最高温度，仍然高于某电子设备的最高设计温度。为了使某电子设备实体的最高温度降到可接受的范围之内，保证符合设计要求，在以前保存的项目基础上进行改进，改进的方法是在增加一个排气风扇(fan）。改进三：增加进气和排气风扇注意到计算域中最热的地方(图4.13中红色区域)，最高温度，已经低于某电子设备的最高设计温度：，符合设计要求。通过以上结构在Icepak中进行仿真模拟，筛选出使其达到要求时的散热片的最佳参数为：波导外壁各表面都加上散热片，散热片的具体尺寸为底板2mm、肋片厚度2mm、肋间距6.5mm、肋片高32mm；风扇的

27、最佳参数为：直径100mm，风流量大小且表面作黑色氧化处理时，满足设计要求。参 考 文 献1 于慈远计算机辅助电子设备热分析、热设计及热测量技术的研究R博士后研究工作报告北京国家图书馆，200092 邱成悌，赵惇殳，蒋全兴电子设备结构设计原理M南京：东南大学出版社，20053 余建祖电子设备热设计及分析技术M北京：北京航空航天大学出版社，20004 陶文铨数值传热学(第二版)M西安：西安交通大学出版社，20015 杨世铭，陶文铨传热学第3版M北京：高等教育出版社，19986 谢德仁电子设备热设计M南京：东南大学出版社，19887 丁连莽译校电子设备可靠性热设计手册SMILhdbk-251 Re

28、liabilityDesign Application北京：电子工业出版社，19898 电子设备可靠性热设计手册GJB/Z 27-92S北京：国防科工委军标出版发行部，19929 半导体器件散热器 型材散热器GBT 7423.2-87S中华人民共和国电子工业部，198710 可靠性工程师热设计指南S电子工业部标准化研究所198511 电子设备可靠性热设计手册实施指南S国防科工委军用标准化中心全国军事装备可靠性标准化技术委员会199212 (美)D.S.斯坦伯格著电子冷却技术M北京：航空工业出版社199013 Icepak Training Notes北京海基科技发展有限公司14 Icepak

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