隨著電子、電氣產(chǎn)品的小型化、智能化、多樣化發(fā)展，產(chǎn)品的功率密度越來越高，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期越來越短，給產(chǎn)品的散熱設(shè)計(jì)帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。當(dāng)前，越來越多的企業(yè)選擇借助仿真和試驗(yàn)相結(jié)合的手段來加快產(chǎn)品的開發(fā)，旨在于減少試驗(yàn)驗(yàn)證次數(shù)，縮短開發(fā)周期，降低產(chǎn)品設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)。另外由于半導(dǎo)體設(shè)備的功耗、散熱參數(shù)與材料成分、制造工藝相關(guān)，且與環(huán)境溫度及溫升相關(guān)，需要借助熱測試設(shè)備重新標(biāo)定元件的散熱特性。

目前電子、電氣行業(yè)的熱設(shè)計(jì)工作大都是由結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程師在兼顧，相對缺乏熱設(shè)計(jì)理論、專業(yè)CFD散熱分析技術(shù)和熱測試經(jīng)驗(yàn)。安世亞太多年從事熱設(shè)計(jì)工程咨詢服務(wù)，積累了豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，時(shí)至今日已具備熱設(shè)計(jì)完整解決方案及落地能力。在逐步積淀的過程中，梳理出相對清晰的理論體系，在這里與感興趣的業(yè)內(nèi)伙伴分享。

熱設(shè)計(jì)技術(shù)

電子設(shè)備的熱設(shè)計(jì)是根據(jù)電子元器件的功耗、溫度特性和應(yīng)用場景，利用熱傳遞技術(shù)和相應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)備，使元器件的工作溫度不超過其正常工作溫度的要求范圍，同時(shí)滿足散熱路徑上部件的可靠性要求。通常熱設(shè)計(jì)需要借助熱測試技術(shù)獲得關(guān)鍵傳熱性能參數(shù)，仿真技術(shù)能夠?qū)嵩O(shè)計(jì)進(jìn)行評估與優(yōu)化。

熱測試技術(shù)

熱測試是一門測試技術(shù)，借助專業(yè)測試設(shè)備與測試方法獲得產(chǎn)品一維散熱路徑上各處的熱阻特性，為散熱設(shè)計(jì)評估、仿真分析提供可靠的數(shù)據(jù)。

在電子產(chǎn)品散熱設(shè)計(jì)中，熱測試的目的主要是為測試產(chǎn)品實(shí)際散熱表現(xiàn)是否能達(dá)到預(yù)期要求，檢驗(yàn)產(chǎn)品散熱方案的合理性、評估產(chǎn)品工藝的可靠性。另外熱測試技術(shù)還可進(jìn)行優(yōu)化潛力與降成本方面的評估，測試產(chǎn)品在不同方案以及在不同環(huán)境下的實(shí)際表現(xiàn), 結(jié)合其理論設(shè)計(jì)、仿真分析進(jìn)行回歸，指導(dǎo)后續(xù)的散熱設(shè)計(jì)。

傳統(tǒng)的熱測試方法主要分為熱電偶的接觸式和紅外測溫法的非接觸式二種，以及較為準(zhǔn)確的ETM電氣法測溫（JEDEC JESD51）。如今第三代熱測試技術(shù)為瞬態(tài)熱測試法（JESD51-14）也已問世。瞬態(tài)熱測試法能夠測量電子部件一次元散熱路徑的結(jié)殼熱阻，以及進(jìn)行散熱路徑上的結(jié)構(gòu)函數(shù)分析。

瞬態(tài)測試法可以通過測試獲得節(jié)溫，通過結(jié)構(gòu)函數(shù)可以定性，以及定量的得到各個(gè)部位的熱阻值，可以評價(jià)不同的材料（ 例如Die Attach ）以及其接觸熱阻對芯片總體熱阻的影響。結(jié)構(gòu)函數(shù)還能夠應(yīng)用于材料熱導(dǎo)率的測試，如ASTM D5470（穩(wěn)態(tài)法）和 ASTM E1461（瞬態(tài)法）以及ASTM D5470 測熱導(dǎo)率。

另外通過測試技術(shù)能夠得到準(zhǔn)確的仿真參數(shù)（電子元器件熱阻、材料熱阻、各部分材料熱相關(guān)物性參數(shù)、封裝實(shí)際發(fā)熱面積、接觸熱阻），提供對原始模型仿真的數(shù)據(jù)支撐與對標(biāo)，使仿真分析能夠最高效準(zhǔn)確得在設(shè)計(jì)研發(fā)端發(fā)揮作用。

熱仿真技術(shù)

熱仿真技術(shù)是借助CFD技術(shù)分析虛擬物理樣機(jī)在工作環(huán)境中涉及到的電熱、傳導(dǎo)、對流、輻射、相變等傳熱現(xiàn)象進(jìn)行仿真計(jì)算，對產(chǎn)品的散熱特性進(jìn)行預(yù)測。熱仿真技術(shù)可應(yīng)用于產(chǎn)品的不同階段：

(1) 設(shè)計(jì)、研發(fā)工作中能夠進(jìn)行設(shè)計(jì)思路的快速驗(yàn)證及優(yōu)化。

(2) 在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段樣品成型之前進(jìn)行虛擬測試解決大多數(shù)問題，通過最大程度減少樣品測試時(shí)的試錯(cuò)進(jìn)行增效，幫助后期產(chǎn)品的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)降本增效。

(3) 對產(chǎn)品運(yùn)維階段暴露出來的問題可以進(jìn)行失效原因探究與再現(xiàn)，從而改進(jìn)設(shè)計(jì)，提升可靠性。

再結(jié)合先進(jìn)的熱測試技術(shù)，獲得仿真分析所需的數(shù)據(jù)（產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的熱阻、發(fā)熱面積分布，功率以及材料系數(shù)測試等），可以為仿真提供更加精確的分析參數(shù)，精準(zhǔn)地預(yù)測設(shè)備的散熱特性。

熱設(shè)計(jì)、熱仿真、熱測試工作貫穿產(chǎn)品的整個(gè)設(shè)計(jì)與研發(fā)周期，為研發(fā)設(shè)計(jì)構(gòu)建更強(qiáng)的技術(shù)能力。

例如汽車尾燈產(chǎn)品的熱設(shè)計(jì)是為了使光學(xué)性能設(shè)計(jì)后排布的LED以及整體發(fā)熱元器件在能夠承受的溫度下穩(wěn)定的工作、使塑料件低于形變溫度保持良好的光學(xué)特性。需要根據(jù)多方面因素對電阻、芯片的位置進(jìn)行調(diào)整，確保原器件以及PCB走線布置與LED以及塑料件保持合理的位置關(guān)系，保證各自有合適的傳熱路徑。整個(gè)設(shè)計(jì)研發(fā)過程中結(jié)合仿真與測試進(jìn)行數(shù)據(jù)的獲取、驗(yàn)證，進(jìn)而基于分析結(jié)果進(jìn)行產(chǎn)品的優(yōu)化。

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