電子設備熱設計與仿真分析的案例
電子設備熱設計- 電子設備的組合傳熱模式
一、電子設備的組合傳熱模式
盡管我們已經詳細介紹了三種傳熱模式，但在實際工程中，我們通常會看到三種模式同時結合的情況。例如，在計算機芯片中，熱量以平行路徑從結傳導到外殼和引線。然后，熱量從引線傳導到電路板，并從外殼傳導到散熱器。同時，導線和散熱器中的熱量被對流到空氣中并輻射到周圍環境中。
如下圖所示三種模式下用于傳熱和熱阻的方程。
解決組合模式問題的最簡單方法是建立電阻網絡。通過這種方式，我們可以圖形化地檢查同時、并聯和串聯傳熱的每種模式的路徑。
當熱量通過單一材料的單個壁傳導時，熱傳導速率和熱梯度是恒定的。然而，當熱量在不同材料的串聯路徑中傳導時，每種材料的溫度梯度都不同。檢查三種材料串聯的復合墻，如下圖所示。
對于更常見的串聯和并聯熱流組合問題，如下圖所示，通過由串聯和并聯熱流路徑組成的壁的熱傳導，我們可以看到并聯材料的熱阻。
在涉及傳導和對流串聯傳熱模式的電子冷卻問題中，如下圖所示，電子模塊中的傳導和對流。硅芯片封裝在環氧泡沫絕緣體外殼中。大部分的熱傳遞是通過模具表面進行的。所以當我們知道熱耗率時，我們通常必須確定設備的溫度升高。
二、大功率IGBT模塊DBC襯底的熱仿真分析
IGBT功率模塊是電子產品的基礎部件之一，在工業電子升級過程中發揮著至關重要的作用。它被認為是電力電子行業的CPU。IGBT結合了GTR和功率MOSFET的優點。IGBT功率模塊是電力系統的核心部件，其性能對應用系統有著至關重要的影響。影響功率模塊性能和應用的因素包括：功率密度、功率損耗、運行速度、可靠性、使用壽命、體積、重量和成本等，主要取決于芯片技術和封裝理念、技術和制造工藝。
由于功率半導體器件處于工作狀態，芯片流過數百安培的電流。
展開 【12月14-16日 上海】ANSYS Icepak電力電子電信設備熱設計熱仿真專題培訓
各企事業單位：
ANSYS Icepak經過多年的發展，作為業界技術最完備的電子散熱仿真分析軟件，可以幫助工程師完成各種三維流體/熱分析，在通訊、消費電子、汽車電子、電力、家電等領域得到了廣泛的應用，已經成為電子散熱仿真領域最主要的工具之一。
ANSYS Icepak先進的模型與網格處理技術，可以求解幾何高度復雜的電子散熱結構；借助于高度自動化的ECAD數據導入實現微觀電子結構的詳細建模，輔以種高級流動/傳熱模型可以幫助用戶獲得精確的結果；完全自動的熱/結構/電磁耦合方案將復雜的電子多物理問題統一在一起求解，除了幫助用戶獲得更為準確的計算結果，還可以幫助用戶東西多物理場之間復雜的相互影響。
為了應對日新月異的電子散熱仿真需求，提升相關科技工作者的技術水平，同時也讓廣大散熱設計工程師更好的使用軟件，普及ANSYS軟件高級功能， 技術鄰特舉辦《ANSYS Icepak電力電子電信設備熱設計熱仿真專題培訓》，具體內容如下：
一、培訓目標
（一）、理解傳熱學、流體力學基礎原理；
（二）、掌握ANSYS Icepak軟件的使用功能和操作流程；
（三）、掌握電力電子電信設備的熱分析方法和技巧；
（四）、掌握電力電子電信設備優化熱設計方法；
二、講師簡介
趙老師，技術鄰特邀專家，20余年產品結構設計經驗，15年熱設計經驗，6年力學仿真經驗，獲得多項發明專利， 多個案例由ANSYS官方收錄。包括消費電子、通訊產品、電腦產品、電力電子產品的機械設計、熱設計和力學仿真。善于綜合考慮制造組裝工藝(DFMA)、成本優化、電氣絕緣、安規、散熱、力學強度和EMC。
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各企事業單位：
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ANSYS Icepak先進的模型與網格處理技術，可以求解幾何高度復雜的電子散熱結構；借助于高度自動化的ECAD數據導入實現微觀電子結構的詳細建模，輔以種高級流動/傳熱模型可以幫助用戶獲得精確的結果；完全自動的熱/結構/電磁耦合方案將復雜的電子多物理問題統一在一起求解，除了幫助用戶獲得更為準確的計算結果，還可以幫助用戶東西多物理場之間復雜的相互影響。
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一、培訓目標
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（二）、掌握ANSYS Icepak軟件的使用功能和操作流程；
（三）、掌握電力電子電信設備的熱分析方法和技巧；
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二、講師簡介
趙老師，技術鄰特邀專家，20余年產品結構設計經驗，15年熱設計經驗，6年力學仿真經驗，獲得多項發明專利， 多個案例由ANSYS官方收錄。包括消費電子、通訊產品、電腦產品、電力電子產品的機械設計、熱設計和力學仿真。善于綜合考慮制造組裝工藝(DFMA)、成本優化、電氣絕緣、安規、散熱、力學強度和EMC。
展開 【6月27日-30日 南京】ANSYS Icepak電子設備熱設計熱仿真高級工程應用專題
一、給方法解決以下關鍵問題：
1、仿真分析結果主要在于經驗積累，12年以上工程應用專家帶你答疑解惑
2、有效掌握Icepak工程應用技巧+實操模型訓練
3、所有實例緊緊Icepak工程應用為核心目標，進行實操模擬訓練
二、14個實例模型貼近工程實戰操作：
案例01：機箱冷卻仿真計算案例
案例02：LED自然冷卻計算
案例03：Icepak自建模案例案例
案例04：導入外部CAD模型
案例05：導入外部EAD模型案例
案例06：風冷機箱網格劃分
案例07：液冷冷板網格劃分案例
案例08：熱管網格劃分
案例09：外太空環境熱仿真計算案例
案例10：PCB板散熱仿真計算
案例11：Icepak-Mechanical熱-結構耦合計算案例
案例12：Icepak機箱散熱優化設計
案例13：風機仿真計算案例
案例14：電動汽車電池包熱流計算
三、與同行差異化、效果保證：
1、實戰：專注CAE仿真計算12年，有自己的超算中心，積累了大量的項目工程案例
2、原理：帶領學員訓練實操過程中，注重步驟和設置原理
3、系統：7600+學員反饋、工程實例更新與精選，形成系統的版權知識體系
4、響應：自主師資與合伙人模式，可直接對接客戶問題，即時做出響應
5、效果：所有學員提供高配筆記本、工程模型、電子資料、操作軟件 操作反饋與指導
四、增值服務
持本人學生證或教師證享有9折優惠；一個單位同時報名2人享有9折優惠； 一個單位同時報名3人以上（含）享有8.5折優惠。
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【12月14-16日 上海】ANSYS Icepak電力電子電信設備熱設計熱仿真專題培訓
各企事業單位：
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一、培訓目標
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二、講師簡介
趙老師，技術鄰特邀專家，20余年產品結構設計經驗，15年熱設計經驗，6年力學仿真經驗，獲得多項發明專利， 多個案例由ANSYS官方收錄。包括消費電子、通訊產品、電腦產品、電力電子產品的機械設計、熱設計和力學仿真。善于綜合考慮制造組裝工藝(DFMA)、成本優化、電氣絕緣、安規、散熱、力學強度和EMC。
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一、培訓目標
（一）、理解傳熱學、流體力學基礎原理；
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（四）、掌握電力電子電信設備優化熱設計方法；
二、講師簡介
趙老師，技術鄰特邀專家，20余年產品結構設計經驗，15年熱設計經驗，6年力學仿真經驗，獲得多項發明專利， 多個案例由ANSYS官方收錄。包括消費電子、通訊產品、電腦產品、電力電子產品的機械設計、熱設計和力學仿真。善于綜合考慮制造組裝工藝(DFMA)、成本優化、電氣絕緣、安規、散熱、力學強度和EMC。
展開 可靠性電子產品熱設計知識 附電子設備可靠性熱設計指南徐維新下載
即以最簡化的設計、最低的成本滿足產品的使用要求。
根據經驗，熱設計一般應遵循以下設計原則：
① 熱流密度超過 0．08W／cm2、體積功率密度超過 0．18W／cm3 時，應采用強迫空氣冷卻、強迫液體冷卻、蒸發冷卻、熱管或其他冷卻方法。
② 若電子元器件之間的空間有利于空氣流動或可以安裝散熱器，推薦采用強迫空氣冷卻系統。
③ 對于必須在高溫環境條件下工作，元器件與被冷卻表面之間的溫度梯度又很小的部件或體積功耗密度很高的元器件或設備，推薦使用液冷式散熱系統。
④ 一般情況下，設計時應使一切外露部分（包括機箱）工作在 35℃環境溫度以下，且它們的溫度不得超過 60℃，面板和控制器不應超過 43℃。
⑤ 熱設計應與電氣設計、結構設計、可靠性設計等同時進行，當出現矛盾時，應平衡分析，折中解決。但不得損害電氣性能，并要符合可靠性要求，以使設備的壽命周期費用降至最低。
⑥ 設計冷卻系統時，必須考慮經濟性、體積及質量等因素，應最大限度地利用傳導、輻射、對流等基本冷卻方式，避免外加冷卻裝置。
⑦ 設計冷卻系統時，必須考慮到可維修性，要從整個系統的角度出發選擇熱交換器、冷卻劑及管道，同時冷卻劑不能對交換器和管道有腐蝕作用。
⑧ 在溫度敏感的元器件或設備周圍應設置溫度監控裝置，以便當其周圍溫度超出該元器件允許工作溫度范圍時提供報警或自行斷電，以保護設備安全（需要長期連續運行的電子設備不適用）。
⑨ 熱設計中允許有較大的誤差，設計過程的早期應對冷卻系統進行數值分析和計算。
五、自然冷卻系統設計
1．設計要求
自然冷卻是大多數小型電子元器件（或產品）最常采用的散熱方式。設計時一般應遵循以下要求：
① 應盡可能縮短傳熱路徑，增大換熱或導熱面積。
展開 電子設備熱設計(Thermal Design of Electronic Equipment)-7 熱設計與流體動力學
幾十年來，研究人員一直在考慮通過高速空氣噴射來冷卻熱電子設備的潛力。然而，噴射冷卻系統今天并沒有被廣泛使用。阻礙使用這些系統的兩個最大障礙是它們的復雜性和重量。空氣噴射系統必須由金屬制成，以便能夠處理空氣噴射相關的壓力。空氣處理系統可能很復雜，有許多離散的部件來管理氣流并將空氣引導到需要冷卻的熱點。
University of Illinois 研究人員已經證明了一種新型的空氣噴射冷卻器，它克服了以前噴射冷卻系統的障礙。利用增材制造，研究人員在單個部件中創建了一個空氣噴射冷卻系統，該系統可以將高速空氣引導到多個電子熱點上。研究人員用堅固的聚合物材料制造了冷卻系統，這種材料可以承受高速空氣噴射帶來的惡劣條件。
目前，大多數電動汽車都使用水平冷卻技術，但隨著功率密度的增加，這些冷卻方法將變得不足。由于熱性能的改善，液體射流沖擊是一種有吸引力的冷卻技術，已經進行了數值測試和實驗實現。盡管目前尚未在工業上實施，但研究表明，作為一種熱管理技術，它取得了非常有希望的結果。
下圖所示的是汽車電子設備使用射流沖擊部件和系統概述：（a） 噴射孔（b） 射流沖擊歧管（c） 增強型表面（d） 安裝在動力模塊上的射流沖擊歧管，（e） 射流沖擊功率模塊冷卻的真實實例（f） 車輛冷卻回路
射流沖擊設計、制造方法、功率模塊中的材料和有效冷卻表面積都對冷卻功率電子器件時的傳熱系數有影響。然而，射流沖擊已被證明可以將模具的最高溫度和模具之間的溫差保持在臨界值以下。在電力電子模塊的傳統射流沖擊設計之上，先進的射流沖擊技術可以應用于更高的傳熱率，包括噴射射流和合成射流。
電力電子設備的有效熱管理對于可靠性和提高功率密度至關重要。在隨著下一代電力電子設備實現寬帶隙器件，增加的熱通量將需要更先進的冷卻策略。
展開 電子設備熱設計方法概要介紹
眾所周知，電子設備散熱設計方法主要是數值分析和實驗驗證。包括熱傳遞相關性，網絡建模（FNM）和計算流體動力學（CFD）技術以及實驗測量。這種方法的主要應用各種設計工具，每種工具都在產品設計周期的最佳點使用。因此，在設計的最初階段，速度至關重要時，可以大大減少分析時間，而在準確性和細節上可以做出犧牲。當設計確定后，變更較少且目標是優化/驗證時，在開發周期的后期進行詳細分析，以提供更高的準確性。通過這種方式，可以在整個產品設計周期中系統地降低熱風險。
展開 電子設備熱設計(Thermal Design of Electronic Equipment)-9
一、輻射換熱
熱設計工程師通常不關心電子元件和外殼的輻射換熱。
影響輻射換熱的三個因素是物體與其周圍環境之間的溫差、物體與其周圍的表面特征以及物體對周圍環境的狀態。
首先，溫度差是設備外殼和外部機箱之間的差值，或者外部機箱和房間墻壁之間的差值。由于輻射熱傳遞是基于這種溫差的，當組件與其周圍環境之間的差值變得足夠高，輻射散熱就變得足夠重要了，此時設備很可能已經超過了其最高結溫。但在室溫下，輻射換熱還不到空氣中對流換熱所能傳遞熱量的10%。
其次，覆蓋設備或機箱的表面特性是另一個重要變量。電子產品中使用的材料通常對輻射是不透明的。但在用于電子器件的溫度范圍內，表面的顏色不會影響輻射發射率。
最后是視圖因子。這是離開一個表面并被另一個表面攔截的輻射的分數。對于較大球體內的球體，這可能高達1.0，或者非常低，例如兩個角度接近180°的板。代數方程可以計算視圖因子，不過這通常需要在計算機的幫助下完成。
盡管在電子封裝時通常不考慮輻射，但封裝可能會通過靠近高溫源來吸收輻射熱。這種情況可能發生在汽車的發動機艙中，其中電子模塊暴露在熱發動機部件和排氣歧管的輻射熱中。雖然物體的顏色在輻射冷卻中并不重要，但當物體可以從寬帶輻射源吸收熱能時，顏色就很重要了，尤其是當我們將電子封裝暴露在陽光下時。
二、自然對流和輻射換熱條件下的電子散熱器
半導體技術的快速發展已經導致微電子器件的散熱增加。被動冷卻是電子和電力電子設備的廣泛首選方法，因為它是一種價格低廉、安靜且無故障的解決方案。空氣冷卻被認為是電子封裝熱設計中的一項重要技術，因為在成本、空間和重量限制下，使用翅片來增強空氣冷卻是最簡單有效的散熱器結構。因此，開發一種系統的空氣冷卻散熱器設計方法對于滿足當前的熱需求和未來電子元件的高溫具有非常重要的意義。
展開 電子設備熱設計開發閉環流程示圖
熱設計開發閉環流程涉及結構、硬件、PCB、測試和熱設計等領域，與熱設計彼此之間都有信息的交互，使得熱設計開發流程形成一個完整的閉環，有利于各個領域的提高和技術積累，上圖共大家參考。
未來十年電力電子設備熱設計技術漫談
未來十年電力電子設備熱設計技術方向：選擇導熱系數大、熱容更大的新材料或多種材料和技術的綜合應用。
2D熱管、3D熱管肯定有一席之地，石墨烯材料已經在廣泛應用于消費型電子產品，比如：手機、電視、電腦之中，液態金屬在減小界面熱阻場合應用前景廣闊，間接的水冷和直接浸沒式的油冷也將登上歷史舞臺的C位。
提高電子產品壽命！仿真驅動電子產品的熱設計
在驗證了熱仿真模型的基礎上，通過仿真進行了參數化研究，優化了銅線的幾何形狀和元件位置，優化了元件、PCB的功耗、PCB布線的布局堆疊和PCB基材。這種優化有助于減少PCB板上的熱點和溫度。在早期產品的開發階段，可以大大降低開發成本和產品成本。
PCB板上銅箔流入電流，進而產生熱量，其公式為：
其中Q表示焦耳熱耗，單位為W；I為流入電路板的電流，單位為A；R為銅箔的電阻，單位為歐姆。
電阻R與銅箔的幾何及電阻系數有關，其對應公式為：
這里p表示銅箔的電阻率，單位為w.m；L為銅箔的長度，單位為m；A為電流通過銅箔的橫截面積，單位為
隨著電流的增大，焦耳熱可能變成了一個巨大的挑戰。如果內部產生的熱量相對較高，加上比較惡劣的高溫外部環境，熱挑戰就會被放大許多倍。
產品
對某一個汽車電子單元產品進行分析，它支持車輛上的多種應用。為了滿足所有這些需求，PCB板上需要通入較高的電流。銅層，由于尺寸的限制，在流入高密度電流后，導致更高的焦耳熱。除此之外，電路板上的器件也會有大量的熱生成。相應的結果就是，整個PCB板上的器件處于高溫的狀態下。
電—熱耦合模擬
PCB板的電-熱模擬有助于(i)可視化整個板子的熱場，(ii)識別電流流動的瓶頸，(iii)識別電路板上的熱點，以便對PCB板銅箔布局進行優化，降低銅箔產生的焦耳熱。
在本研究中，通過熱風險管理方法（Thermal Risk Management tool，TRM）電-熱模擬來進行，該工具用于計算電子器件和PCB的溫度。
展開 案例分享 | 為復雜的航空電子設備提供高級熱仿真
最初的分析是由客戶使用FloTHERM?進行的，但是客戶的模型無法直接使用，需要在FloTHERM?軟件重新建模。而scSTREAM可以直接讀入客戶的三維模型，直接分析。Mr.Villers回憶說：“在很短的時間內，我們能夠從3D裝配中創建準確的熱仿真模型，復制FloTHERM?模型，并向其中添加更多設計參數，來進一步推進設計研究。我們能夠用FloTHERM?所需的一半的時間，創建一個更準確的模型。
此外，借助HeatPathView等先進工具，我們可以更好地了解系統的熱性能，并更有效地改善散熱路徑。” 集成在scSTREAM中的HeatPathView是一個補充工具，幫助用戶檢查分析零部件之間的熱傳遞、熱交換的方向性、熱傳遞的形式以及每個零件的詳細熱仿真信息。
圖1顯示了帶有熱仿真信息表和HeatPathView提供的圖形的搜救雷達系統模型。
圖 2: 詳細的熱模型（左）和加固型數據記錄器系統模型（右）
在惡劣環境下準備預測設備性能
TEN TECH推出的另一項激動人心的工作是軍事數據記錄和存儲單元的整個散熱設計。“該系統使用COTS（商用現貨）組件，因此我們必須創建非常詳細的模型來預測消費級的電子產品在惡劣的軍事環境中的運行方式”Mr.Villers先生說。“借助scSTREAM高性能和高效的分布式并行計算功能，我們能夠快速創建超過2000萬個網格單元的非常詳細的模型，并且每天能夠進行許多設計驗證和優化迭代，包括流路優化、風扇尺寸確定、散熱器優化和放置。” 結果如圖2所示：加固型數據處理系統的模型（右）顯示了與溫度分布圖和流線。記錄器單元（左）中安裝的IntelXeon?處理器的詳細熱模型顯示了一半的原始模型和一半的合成網格溫度。
展開 電子設備熱設計(Thermal Design of Electronic Equipment)-10 相變傳熱與導彈導引頭散熱
內外部的相互作用使彈載導引頭面臨著非常復雜的熱環境，其熱可靠性逐漸成為影響導引頭性能的重要因素。仿真計算模型如下圖所示。
熱量通過熱傳導從連接環傳遞到框架底部，來自頻率合成器、電源和信號處理器的熱量傳遞到框架外圍。功率放大器模塊產生的熱量被下面的相變散熱器吸收。內部和外部的熱量相互耦合，最終完成了電子艙的散熱過程。
根據連接環處隔熱性能的不同，選擇兩組典型曲線作為系統的輸入條件，如下圖所示。
不考慮相變散熱器和電子艙內部熱源的影響，輸入和輸出如下圖所示。
加強型隔熱曲線下框架內部線的溫差為13.6°C，而普通曲線的溫度為19.4°C。因此，框架不同位置的溫度梯度是明顯的，并且隨著熱量的增加，溫度梯度會變得更大。對于安裝在框架上的模塊，需要考慮不同位置之間的溫差，并做出合理的分布。
仿真計算時變溫度邊界條件對相變散熱器的影響，無論電子艙中熱源的影響如何，都使用增強的隔熱曲線作為輸入。相變散熱器在不同時間的溫度分布如下圖所示。隨著框架溫度的不斷升高，散熱器在350秒時發生了相變，底部的四個角在400秒時完全熔化。由于頂部表面沒有熱源，熱量只能從底部向頂部傳導，因此頂部表面的溫度分布相對均勻。在400s內，頂面基本保持在相變溫度，這對安裝在其上的功率放大器模塊起到了一定的隔熱作用。從上面的分析來看，即使沒有內部熱源，相變散熱器在外部氣動熱的傳導下也會釋放出一部分潛熱。
綜上所述，在氣動熱的影響下，連接框架的溫度呈現出明顯的梯度分布。框架上中心線的溫差可以達到19.4°C。在增強連接環處的隔熱性能后，內壁的溫度降低了約21°C。由于框架的溫度不均勻，局部溫度會高于相變材料的熔化溫度，并會損失一些潛熱，熱設計中應考慮該部分的消耗量。
文章來源CAE工程師筆記
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