在電子產品越來越小型化、智能化的今天，設計更安全和更緊湊的電子設備對全世界的工程師來說都是一個巨大的挑戰。在傳統的設計過程中，確保新型電子產品性能的唯一方法是執行大量的設計迭代，直到滿足所有標準。這意味著大量的物理試驗耗時和昂貴的物理測試過程。如何更加快速更加經濟的設計出滿意的產品呢？答案在于CAE仿真，通過CAE仿真技術，幾天，幾周或幾個月的物理測試將被仿真運行的數小時甚至幾分鐘所取代。

電子產品設計的主要挑戰是熱管理，因為電子產品產生的熱量集聚在外殼內，過熱不僅會降低預期壽命，還可能損壞電子元件導致產品故障。仿真工程師采取的解決方法就是在制造產品前對電子設備進行熱仿真，通過仿真分析了解到產品的冷卻系統效率如何？需要對產品的設計實施哪些優化？選擇更優材料更好進行散熱等。

 

提高電子產品散熱能力的常見設計有：

1、熱界面材料（TIM）
這些材料用作熱源和散熱器之間間隙的填充材料。它們通常具有更高的導熱率，有助于有效管理整個系統的熱傳遞。

2、散熱器
散熱器是與熱源接觸的金屬部件，主要通過傳導，有時通過對流或輻射來消除熱量。通常，鋁或銅用作散熱器材料，因為這些金屬的導熱率相對較高并且與其散熱效率成正比。由于通過表面進行熱傳遞，因此散熱器專門設計成各種形狀以確保大的表面積。

3、熱管
熱管是密封的銅管或鋁管或含有流體的管。液體從熱表面吸收熱量，沸騰并進入蒸汽狀態。

4、熱電模塊
熱電模塊是采用珀耳帖效應的設備，基于向設備施加電流來加熱或冷卻組件。它們總是與散熱器一起使用，沒有散熱器，設備可能會過熱并失效。

5、導熱油脂或粘合劑
導熱粘合劑或油脂是另一種獨特的熱傳輸技術。其中一個主要優點是它們將組件粘合在一起，不能機械粘合。

很顯然，工程師們有著諸多的選擇，但是在保持產品大小的前提下，如何組合出最有效的的散熱方式確并不是一件輕松的工作。下面，元王通過一個案例分享，說明CAE仿真如何幫助工程師優化產品性能。

 

分析背景

某電子產品外殼在以下三種情況下進行熱分析，下面的CAD幾何形狀圖包含了PCB板，芯片和外殼。

FEA模型

網格化模型

材料屬性

通過使用PCB與芯片，芯片和散熱器以及PCB和外殼之間的粘合接觸條件來約束接觸點。在此之后，定義材料，設置邊界條件。

零件	材料	密度kg / m3	比熱[J /（kg K）]	電導率[W /（m K）]
PCB	FR-4	1850	600	0.3
芯片	硅	2330	705	0.2
散熱器	銅	8960	385	401
附件	鋁	2700	897	235

 

仿真結果

溫度分布情況

熱通量分布情況

從上面的仿真結果可以看出，由于沒有散熱材料，芯片在設計1中變得非常熱（715 K）。這里主要是由于鋁外殼材料和硅芯片明顯過熱；設計2中的散熱器有助于消除芯片的熱量。與設計1相比，此處的散熱量高出12.6％（詳細數值結果見下表）；設計3中的銅熱管大大提高了傳熱效率，雖然熱界面材料（設計3中的硅導熱墊）價格昂貴，但在芯片和散熱片之間建立接觸層可以增強部件之間的熱耦合，并且可以更快更有效地散熱 - 因此，散熱量為95.8％,設計3最高。

溫度和熱通量的最大值如下表所示：

設計	組態	最高溫度（K）	最大熱通量（W / m2）
設計1	沒有散熱片	712	1.18E + 05
設計2	帶散熱片	355	1.35E + 05
設計3	帶散熱片+ TIM +熱管	346	2.82e + 06

可以使用仿真來研究可能的進一步設計改進，例如，使用鋁散熱器，其比銅更便宜并且比銅輕近60％，或者具有不同厚度的不同TIM。

 

結論

很明顯，在電子設備中選擇適當的元件和材料來傳導熱量是關鍵的設計決策之一。例如，銅的導熱率是鋁的1.8倍。添加銅熱管還可以進一步提高導熱性，遠遠超過銅散熱器。同時，鋁的選擇也是合理的，因為它更便宜和更輕，增加了電子元件的耐用性和效率。