某电子设备热分析及Icepak软件应用.doc

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(USAirForceAvionicsIntegrityProgram)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(heatconduction)，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(thermalconductivity)，；为热流密度，。2.2.2对流换热[2]热对流(heatconvection)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(Newton’slawofcooling)：式(2.2)式中：h为对流传热系数(convectiveheattransfercoefficient)，；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(radiativeheattransfer)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(Stefan—Boltzmann)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：①把设备的温度限制在某一最大和最小的范围内；②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