萬偉學(xué)

摘要：本文介紹了利用Icepak軟件進(jìn)行電子設(shè)備散熱分析的方法，并對(duì)一個(gè)具體的采用強(qiáng)迫風(fēng)冷的電子設(shè)備進(jìn)行了散熱分析及溫度場(chǎng)模擬，為電子設(shè)備的大功率器件及散熱器的選型提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞：Icepak熱分析強(qiáng)迫風(fēng)冷溫度場(chǎng)模擬

中圖分類號(hào)：TN02 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2012）08（b）-0122-01

電子設(shè)備的工作環(huán)境溫度直接影響到它的可靠性，實(shí)際上幾乎所有的電子失效機(jī)理都是由于封裝的溫升過高引起的，電子封裝的失效率與熱成正比，而且與封裝的最高溫度成幾何增長(zhǎng)[1]。因此，對(duì)于電子設(shè)備而言，對(duì)其進(jìn)行散熱分析顯得尤為重要。Icepak是熱管理和電子設(shè)備散熱分析的專業(yè)軟件，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期可用其進(jìn)行詳細(xì)的散熱分析以驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案是否切實(shí)可行，便于問題分析解決及重新設(shè)計(jì)，并為電子設(shè)備中的大功率器件選型、散熱方式及散熱器件的選擇提供了可靠依據(jù)。

1電子設(shè)備熱分析的步驟及方法

根據(jù)物體溫度與時(shí)間的關(guān)系，傳熱過程可分為穩(wěn)態(tài)過程（又稱定常過程）和非穩(wěn)態(tài)過程（又稱非定常過程）。對(duì)穩(wěn)態(tài)過程而言，其溫升定義為：

t-t0=Rt·P （1）

其中Rt為熱阻；P為功率[2]。電子設(shè)備的熱分析關(guān)鍵是計(jì)算出內(nèi)部各處的溫升，即計(jì)算出內(nèi)部的溫度場(chǎng)。

電子設(shè)備通常采用帶風(fēng)冷或水冷的散熱器，散熱器基板與空氣或冷卻水之間存在著復(fù)雜的湍流換熱過程，其本質(zhì)上是一個(gè)涉及到流體流動(dòng)、流固熱交換以及固體熱傳導(dǎo)等方面問題的流體力學(xué)問題，因此要比較準(zhǔn)確的模擬出電子設(shè)備的溫度場(chǎng)，可以采用計(jì)算流體力學(xué)（Computing Fluid Dynamics）的方法進(jìn)行求解[3，5]。Icepak中關(guān)于電子設(shè)備熱分析的步驟如下。

（1）利用Icepak所提供的基于對(duì)象的模型模塊對(duì)部件級(jí)、板級(jí)或系統(tǒng)級(jí)的問題進(jìn)行建模；（2）定義整個(gè)系統(tǒng)的熱計(jì)算區(qū)域；（3）定義各種材質(zhì)的物理特性；（4）定義邊界條件，如熱流密度、導(dǎo)熱率、傳熱系數(shù)、初始溫度等計(jì)算時(shí)所必須的參數(shù)；（5）檢查模型及物體定義；（6）利用Icepakt對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并保存生成的網(wǎng)格文件；（7）檢查氣流，在求解之前通過估算Reynolds和Peclet參數(shù)以確定用層流模式還是湍流模式；（8）通過Icepak求解器讀取保存的網(wǎng)格文件，設(shè)定監(jiān)測(cè)點(diǎn)，設(shè)定迭代次數(shù)，開始計(jì)算；（9）查看計(jì)算結(jié)果，利用Icepak的后處理功能來顯示監(jiān)測(cè)點(diǎn)的各種參數(shù)曲線（若均收斂，說明網(wǎng)格優(yōu)良，計(jì)算結(jié)果可信）、速度向量切面、溫度云圖以及速度、溫度、壓力的最大值等。

2電子設(shè)備熱分析實(shí)例

以某電子設(shè)備為例，散熱器基板上主要分布有5個(gè)熱源，3個(gè)IGBT模塊，功率為100W，2個(gè)二極管，功率為30W；散熱器材質(zhì)為6063合金，中間挖空放置6個(gè)直徑為40mm的電容；散熱器底部放置3個(gè)軸流風(fēng)扇，對(duì)設(shè)備進(jìn)行強(qiáng)迫風(fēng)冷。其數(shù)學(xué)模型包括流場(chǎng)與溫度場(chǎng)相關(guān)的控制方程，具體為連續(xù)方程、N-S方程及能量守恒方程，具體方程式及參數(shù)含義見參考文獻(xiàn)。根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)，要求環(huán)境溫度為20℃時(shí)，散熱器基板最高溫度不能超過65℃。用Icepak對(duì)其進(jìn)行熱分析和溫度場(chǎng)模擬，以確定所選用的IGBT大功率器件、散熱器及設(shè)計(jì)方案是否滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)。首先對(duì)設(shè)備進(jìn)行建模，定義環(huán)境溫度、散熱器材質(zhì)的導(dǎo)熱率、風(fēng)扇的壓力曲線等參數(shù)，并劃分計(jì)算網(wǎng)格，網(wǎng)格如圖1所示。

檢查氣流，Icepak通過自動(dòng)估算Reynolds和Peclet參數(shù)建議設(shè)定為湍流模型。設(shè)定一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，讀入計(jì)算網(wǎng)格文件，并設(shè)定迭代次數(shù)為120次，開始計(jì)算。當(dāng)?shù)_(dá)到120次后，可以看到，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的氣流的壓力參數(shù)、溫度參數(shù)以及流速參數(shù)均已收斂，傳熱過程可以認(rèn)為達(dá)到穩(wěn)態(tài)。設(shè)備的溫度分布仿真圖見圖2，從溫度分布圖中可以看到，設(shè)備中大功率器件熱源的最高溫度為62.2℃，滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)。

下面圖3中顯示了空氣的速度矢量分布，其可檢驗(yàn)風(fēng)道設(shè)計(jì)的合理性，以便調(diào)整元件布局從而優(yōu)化風(fēng)道設(shè)計(jì)。

3結(jié)語

利用Icepak提供的強(qiáng)大的傳熱計(jì)算功能，采用三維仿真計(jì)算方法，可以方便的模擬出不同幾何形狀、不同散熱介質(zhì)、不同散熱條件下的電子設(shè)備的內(nèi)部溫度場(chǎng)，從而可以快速的驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案是否可行，并判斷所選的大功率器件、散熱器及散熱方式是否能滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)，便于問題分析解決及重新設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)

[1] 余建祖.電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)及分析技術(shù)[M].北京：高等教育出版社，2002.

[2] 楊世銘，陶文銓.傳熱學(xué)[M].北京：高等教育出版社，1999.