电子产品热设计及热仿真技术的应用分析

贺文杰1 ,郭繁2

摘要：随着装备性能的不断提升，复杂程度的不断提高，以及使用环境的日趋复杂，电子产品对可靠性的要求日益提高，可靠性已成为衡量电子产品使用性能的一项重要指标。因散热不良引发的故障一直在电子产品故障发生中占有很大的比重，电子产品一旦出现热设计缺陷，往往在设计周期和设计成本等多方面造成极大的损失。因此需要在产品设计源头加以控制，即在设计之初考虑产品的功能和性能的同时，考虑其散热等因素。综合电子产品的性能设计和热设计，选择采用什么散热方式、使用何种散热材料等，其目的是高效率、低成本、高可靠地制造产品。基于此，本文对电子产品热设计及热仿真技术的应用进行分析，为产品全生命周期设计提供验证支撑，达到合理可靠稳定运行的目的。

关键词：电子产品热设计；热仿真技术；应用分析

引言

电子产品是基于电子信息技术发展背景下的重要产物，电子信息技术是20世纪初诞生的一种新兴的技术，随着时代的发展与生产技术的不断革新，电子信息技术得到了进一步发展。进入21世纪之后，电子信息技术已成为科学技术领域的重要标志之一，在各个行业及领域均具有非常广泛的应用。

伴随着大量电子产品的问世，不仅改变了人们传统的生活方式，也为人们的生产与生活带来了巨大的便利。

随着社会信息化的不断发展，电子产品多功能集成和便携的需求日益凸显，电子产品的集成化和小型化就成了目前电子产品的发展趋势，电子产品的集成化意味着功率会大概率的增大，与小型化的发展综合在一起意味着电子产品的单位体积功率密度会不断增大，因此电子产品的热设计就需要从粗放的经验设计向精确化的热理论设计发展。热仿真就是支持电子产品精确化理论设计最佳手段。通过热仿真将电子产品在性能设计的基础上叠加热设计，达到电子产品在最优热环境里发挥最佳性能的目的。

1电子产品热设计的意义

1.1电子产品进行热设计的优势

有效散热对于电子产品的稳定运行和长期可靠性而言至关重要，将电子产品热功能部件的工作温度控制在其有效工作的温度范围内，是提升电子产品可靠性的基本思路。

1.2 电子产品热设计的平衡

有关资料显示：设计费用占电子产品总成本的5%，但决定了电子产品总成本的70%，而约80%的设计差错要到制造和使用过程中才能发现。电子产品热设计，目的就在于将产品后期因为散热发生的故障在产品的方案设计阶段就进行合理优化。

综合热设计多种散热方案，进行经济性和可靠性评估，根据评估结果进行最优方案选择，增加产品竞争力。

2电子产品热设计的基本原理

2.1 电子产品热设计的目的

电子产品热设计，就是将产品内电子元器件运行时的温度控制在器件本身的允许工作温度范围内。这就包括两方面：当温度超过最大允许温度上限时，通过散热来降低器件温度；当温度低于最低温度下限时，通过加温升高器件的温度。

2.2 电子产品热设计的思路

根据能量的传递路径，电子产品热设计从热源，传热形式，冷端三个方面来考虑。

热源

电子产品发热主要是高功率电子元器件引起的，作为主要热源，合理设计选用，不仅能降低高功率电子元器件本身的工作温度，提高可靠性，对其周围其他元器件以及电子产品整体的温度降低都至关重要。降低高功率器件的发热功率，对于解决电子产品温度过高的问题是一个釜底抽薪的措施，需要进行合理计算设计优化选型。

传递形式

热传递的三种基本形式为：热传导、热辐射和热对流。只要在物体内部或者物体之间有温度差存在，热量就会以上述三种热传递方式中的一种或者多种方式进行传递。

热传导，主要考虑传导材料的导热率，在材料高导热率和经济性之间选择最优性价比的导热材料；热辐射，主要考虑表面粗糙度以及影响表面发射率的因素；热对流，主要考虑热源周围的流场等影响对流换热系数的因素。当然，大多的热设计方案中都不是单一的热传递形式。从实际应用的角度来说，根据GJB/Z 27-1922，计算体积功率密度<11w>25W/L使用强迫风冷；>50W/L使用强迫液冷。

电子产品中热设计工程师根据产品结构的实际情况考虑热量的传递路径， 通过选择合适的散热方式，优化的散热措施，得到可靠的设计方案，并使用仿真方法或试验方式综合评估散热性能。

冷端

冷端就是传热原理中温度最低的一方。假设其他条件不变，冷端温度越低，最终达到温度稳态时，电子产品的高功率器件以及产品整体温度就越低。但产品的工作环境温度往往是产品的设计师无法左右的，只能在产品内部局部来想办法。由此就催生了热管、均温板等产品。如果电子产品内部最高温处与最低温处的温差比较大，就可以通过高导热率的热管、均温板等产品将最高温的器件温度降下来。

3电子产品热设计的发展及应用

在国内的很多企业中，很长时间以来，热设计主要由机械工程师来进行，而电子设计师主要负责实现电子产品的功能，并没有专业的背景的热设计工程师进行热设计，这就很容易出现热风险，存在热聚集，导致发生热失效或损伤。

产品的研发周期很长，研发速度非常缓慢。设计师的大部分精力放在产品的功能和性能实现上，物理样机实现后，通过试验来发现功能性能之外的问题，比如散热问题。电子产品的研发依靠的是“设计-试验验证-修改设计-再试验”反复迭代的串行研制模式。

今时今日，电子技术飞速发展，电子产品的研发周期越来越短，因此在产品的研发阶段就需要对可能出现的问题进行全盘考虑，在产品设计初期就发现隐藏的薄弱环节进行改进和优化。

热设计需要电子设计师和结构设计师一起从工作环境温度、发热器件和散热方式、减重等多方面来进行考虑，得到合理可靠优化方案。

由于高功耗小型化的需求导致强迫散热方式应用较广，下面着重介绍几种强迫风冷散热方式。

（1）环绕风冷散热。传统环绕风冷散热的方法是通过热设计将电子模块在工作中产生的热量传递到模块两边的侧板上，通过在侧板设计相关散热结构的方式，利用风冷将模块两侧板上的热量带走。主要设计有2.5mm高的散热翅片，增大了散热面积，以加强电子模块的散热效果。发热的元器件尽量与盖板紧密贴合，通过壳体传递至外界空气。

（2）贯通式直齿风冷散热。与环绕风冷散热不同，贯通式直齿风冷散热方式将散热元器件布局在两块印制板的板间，通过导热垫、中框凸台等结构将元器件与中框壁相贴合，在中框内部设计有5mm高的散热翅片，以加大模块的散热面积。在贯通式风冷散热方案中，内部元器件工作时产生的热量可通过导热垫、凸台等结构传递至模块中框内壁，最后通过风机强迫风冷带走热量。该方案结构相较于环绕风冷更为复杂，但在其固定的机械结构作用下，更易形成稳定的风道。

（3）贯通式斜齿风冷散热。该方案与方案（2）结构相类似，只是将方案（2）的直齿散热翅片更改为斜齿，通过增加散热翅片的长度来进一步加大翅片散热面积。

4 数字仿真技术在电子产品热设计中的应用

数字仿真是依靠计算机，结合有限元或者有限体积的概念，通过数值计算和图像显示的方法，达到对工程问题和物理问题乃至自然界各类问题得到数值解的过程。在计算机上实现特定的计算，非常类似于实现一个物理实验。比如一个机箱的散热设计，可以通过数值仿真，计算并得到机箱的温度分布、关键部位的温度分布、机箱内部的流场，以及各个部分温度大小随时间变化的过程等等，可视化的得到各种想要的结果。

数字仿真技术的应用，可以实现从“设计-试验验证-修改设计-再试验”反复迭代的串行研制模式到“设计-虚拟综合-虚拟试验-数字制造-物理制造”的并行研制模式转变。在设计初期，通过虚拟仿真消除缺陷，提高产品质量，降低研发成本，缩短研发周期。

拟选用一款含有发热源的手机进行相关试验。假定手机的长宽分别为17cm和7cm，手机温度状态正常，之后将温度固定为25℃，发现此时手机的热传导耗能为总耗能的一半多。手机的摄像头与中央处理器（CPU）温度最高，加设散热管进行相关模拟，对比模拟结果见表1。

通过仿真和试验可以看到CPU温度最高，加装热管散热后温度有所降低。当摄像头和CPU的温度达到预想的温度目标时，热设计师就需要全方位考虑手机这个电子产品的温度分布情况。

从能量守恒角度来说，摄像头和CPU的温度下降，那么必定有其他部位的温度比原来有所提升，手机这个案例中，是通过导热率高的热管将摄像头和CPU的温度传导到手机外壳上，那么在摄像头和CPU温度优化达标后，就需要来考虑手机外壳的温度。建立手机模型后，在模型周边设置温度监控器。当模型的触摸温度维持在41℃以下时，不同的外壳导热率会影响手机耗能。导热率越好的材料，温度下降越明显。为了提高电子产品的使用性能，在外壳的结构设计上还应当注意导热材料的选取。导热性能好的材料，有利于提高电子设备的运行效率。

5 结论

随着现代电子信息技术的不断发展与创新，电子产品更新迭代的频率逐渐加快，虽然说在很大程度上改变了人们的生活方式，满足了人们日益变化的电子产品消费需求，但电子产品设计面向产品全寿命周期，考虑产品设计、制造、使用、维修和环境等因素的综合影响，其目的是高效率、低成本、高可靠地制造产品，电子产品设计水平的高低是企业竞争力的重要表现。

本文论述了电子产品热设计对于提高产品可靠性的重要意义，并给出具体的设计方法。在产品设计阶段，在进行功能、性能和通用质量特性设计的同时，通过同步开展电子产品热设计，控制风险，可以进一步地提高电子产品的可靠性。

参考文献

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