電子熱管理工程的案例
一期一會 | 什么是電子產品熱管理？
本專題將以“一期一會”的形式，攜手各領域專家，圍繞Ansys全產品線的技術優勢，帶您深入解析流體、結構、電子設計及電磁仿真、光學、光子學、半導體、自動駕駛、汽車、聲學、航空航天、材料等多個關鍵領域，讓復雜的專業知識觸手可及。
電子產品熱管理是一門工程學科，其重點是高效管理電子設備及系統中的熱量。其利用熱傳導、對流、輻射和熱力學的物理特性，將組件溫度保持在可接受的工作范圍內。如果不加以控制，溫度就會升高，電子組件性能就會下降，而且某些部件可能會出現故障。此外，器件和封裝之間的連接也會削弱，甚至斷裂。每當您聽到筆記本電腦風扇啟動或感受到手機背面發熱時，就是熱管理在發揮作用。
電子設備通過電路和電子組件傳遞電流來工作。電線、PCB導線、連接、芯片封裝和組件都會在電流流經電路時發熱。如果沒有有效管理熱量，電子設備各區域的溫度就會上升，從而改變材料屬性。這些屬性改變可能會導致多種問題，其中包括電阻增大、機械強度降低、信號失真以及最終的產品性能下降和不良的用戶體驗等。此外，材料還會熱脹冷縮，對組件造成熱應力，從而導致組件或系統的機械故障、疲勞和過早老化。
從手機和電動汽車到為衛星上的CMOS攝像頭散熱，熱管理在當前電子應用的整體性能和魯棒性方面發揮著重要作用。因此，全面了解可選擇的方案至關重要。熱管理應用已成為產品開發的關鍵部分，應納入設計流程的每一步。
不同類型的電子產品熱管理系統
在討論如何處理多余熱量的具體內容之前，我們需要了解，在工程師選擇熱管理方法時，電子系統的規模是一項關鍵影響因素。半導體芯片封裝面臨的發熱和散熱挑戰，與印刷電路板（PCB）有所不同。與之類似，具有多個PCB和其它熱源（如電源）的外殼，需要與機架或整個數據中心等裝配體不同的解決方案。
展開 電子熱管理CFD求解：AEDT Icepak降階模型，動態熱管理及快速優化解決方案【8月5日直播】
AEDT Icepak 是 Ansys Electronics Desktop（AEDT）平臺中用于電子熱管理的 CFD 求解器。它基于 Ansys Fluent CFD 求解器，可預測 IC 封裝、PCB、電子裝配體、外殼和電力電子設備中的氣流、溫度和熱傳遞，為電子冷卻提供強大解決方案。
8月5日，Ansys官方研討會『AEDT Icepak降階模型：動態熱管理及快速優化解決方案』從AEDT Icepak降階模型出發，講解動態熱管理及快速優化解決方案，下滑預約學習??
時間：8月5日（星期二），16：00-17：00
內容簡介：在電子設備行業中，隨著3DIC（三維集成電路）技術的快速發展，動態熱管理成為確保設備性能與可靠性的關鍵。為應對傳統熱仿真方法在復雜3DIC結構中計算量大、耗時長的挑戰，AEDT Icepak的ROM（降階模型）技術提供了一種快速且高精度的熱仿真解決方案。該技術通過一維ROM和三維ROM靈活應對不同熱管理場景：一維ROM適用于簡化的熱傳導分析，三維ROM則能處理復雜的熱對流和熱輻射問題。憑借ROM技術，工程師可在不犧牲精度的前提下顯著提升熱仿真速度，加速設計迭代，為3DIC的高效熱管理提供強大支持，成為行業熱仿真領域的突破性工具。
講師：
廉海潯 | Ansys應用工程師主管
同濟大學動力工程碩士。在熱管理，多物理場耦合有豐富的仿真經驗，目前負責Icepak的產品支持及多物理場解決方案的研究和推廣。
形式：線上
費用：免費
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技術鄰簡介：
技術鄰專注于工科技術社區，從最早的CAE技術社區（中國CAE聯盟）發展而來，在CAE領域有20年的教學和咨詢服務經驗。
展開 熱管理解決方案 | 電子可靠性——多熱算過熱？
電源工程師如今可以使用比以往更強大的熱仿真工具，有限元分析和計算流體動力學甚至能夠為非常復雜的熱管理解決方案提供高精度的預測。
然而，這些新功能卻未解決最關鍵的問題：多熱算過熱？
電源是所有電子設備的核心。它通常需要在相對緊湊的空間中通過低成本來提供高功率和高電壓，為了滿足這些需求，電源設計人員必須充分發揮創意與技能。
但是創意需要依靠豐富的專業知識，電源設計尤為如此。為了解決電源噪聲、時序和效率要求，這全都離不開專業技術和經驗。遺憾的是，熱管理解決方案的反饋回路并非總是這樣直接。雖然令人驚嘆的強大熱工具可以非常準確地預測結溫、殼溫和環境溫度的分布情況，但是與了解具體的溫度相比，想要確定合適的溫度通常是一件更加困難的事情。
面臨風險的組件
降額方法一直是一種值得商榷的做法，但它在老式電子產品中有一定的合理性。因為一般固態機制通常需要幾十年甚至數百年，才會逐漸出現性能劣化、進而導致大量故障。降額策略更多關注的是功能（參數漂移等），其次才考慮可靠性。如今，可靠性問題已變得日益顯著，由于需要在更緊湊的空間內容納更多功能，如此精細的結構導致在幾年內或者甚至幾個月內就會發生性能劣化，即便設計人員遵守了傳統的降額方法也是如此。
展開 直播 | 電子設備熱管理
4月7日 | 【Ansys*恩碩科技】電子設備熱管理
簡介：
請問您是否在為產品溫升過高煩惱？
請問您是否嘗試改進產品散熱/冷卻設計，但是效果并不理想？
請問您是否想熟練掌握電子熱仿真軟件Icepak的操作技巧，用來提升您的工作效率或自身專業技術水平？
本場網絡研討會將主要介紹Ansys Icepak基本功能以及其在電子設備熱管理上的應用案例。
合作伙伴：武漢恩碩科技有限公司
時間：16：00
地點：線上
費用：免費
點擊報名：https://v.ansys.com.cn/Live/e4d29dbe?source=jishulink
4月14日 | 【Ansys*恩碩科技】Ansys磁性元件及開關電源設計解決方案
簡介：開關電源(SMPS)是重要的電力電子設備，廣泛應用于各類消費電子、工業自動化、電力設備、航空航天、軌道交通等領域。開關電源的研發通常需要關注它的電路功能實現、損耗、發熱及EMC等問題。
展開 
電力電子設備熱管理感悟
電力電子設備熱管理的范圍包括：熱源管控、散熱方案設計、散熱物料選型和設計、整機器件布局等，另外，含噪聲計算及其控制策略。
1. 熱源管控：功率器件選型問題，選擇結溫大、熱阻小、功耗小的器件進行設計，另外，對于熱敏器件需要嚴格控制；
2. 散熱方案：熱方案篩選，采用熱阻網絡法或集中總參法進行方案選型；
3. 對散熱物料，如散熱器、風機、冷板、水冷主機、空調等進行計算和選型；
4. 整機布局：根據器件功率大小、熱敏性程度和熱流分布進行合理布局，設計風道等措施；
5. 噪聲計算和控制策略。
用于井下電子設備的混合熱管理系統
來源 | Journal of Energy Storage
01
背景介紹
測井工具用于探測極端熱環境下地下石油資源的分布。當測井儀在深度超過5 km的井中作業時，環境溫度可能超過200℃。對于特定儀器，測井儀內部的井下電子設備的溫度在工作期間需要限制在 100 °C 以下。如果沒有熱保護，由于高溫環境和自生熱量的雙重影響，電子設備的溫度將很快超過溫度極限。因此，對普通電子設備實施有效的熱管理以確保其安全穩定運行變得非常重要。
02
成果掠影
近期，華中科技大學能源與動力工程學院羅小兵教授團隊提出了一種使用液體冷卻和相變材料（PCM）用于井下電子設備的混合熱管理系統，以延長工作時間。在該系統中，PCM和冷板內部分別布置螺旋管和S形管以加強熱交換。為了研究該系統的性能，研究團隊使用有限元方法進行瞬態流動和傳熱模擬。結果表明，歸因于液體冷卻的引入，混合熱管理系統將電子設備的運行時間從 230 分鐘增加到 450 分鐘。電子器件和 PCM 之間的最大溫差從 30 °C 降至 2 °C。此外，該研究還探討了流量、螺旋管間距、加熱功率和環境溫度對溫度控制性能的影響，為測井儀器的設計和優化提供了指導，對于縮短測井儀器的研發周期具有重要意義。相關研究成果以“A hybrid thermal management system combining liquid cooling and phase change material for downhole electronics”為題發表于《Journal of Energy Storage》。
展開 國防工業電子產品的熱管理，難在哪里？
除了各種復雜的邊界條件外，國防工業電子產品熱管理的最大挑戰是碰到短暫的熱沖擊問題。這些電子產品經常處于一種極端的熱環境下。假想一架停放在加勒比海的噴氣式戰斗機，現在要去執行一項任務。飛機此時處在海平面，溫度、濕度非常合適的環境下。當飛機升空后，將處于高海拔、低于冰點溫度的環境中，在幾分鐘甚至幾秒鐘內改變電子產品的邊界條件，因此飛機中的電子產品必須可以在較大范圍的環境溫度下工作。
另外，由于軍事任務的本性，勢必導致這些電子產品承擔較大的數據處理量，同時要求較快的數據處理速度，相應低，電子產品的熱耗會隨之急劇增加。因此，惡劣的環境條件、急劇增大的芯片熱耗，使得國防工業電子產品的熱管理面臨巨大的挑戰。同時，要求產品呈現輕量化、完美的可靠性也都增加了熱設計的難度。
對許多處于大氣層或者外太空環境下的電子設備來說，重量是一個非常重要的要素。重量越輕，產品持續工作的時間越長，花費的費用越低。很明顯，由于噴氣式戰斗機、導彈、坦克等的既有特性，使得電子產品處于惡劣的熱環境下，因此國防工業電子產品的熱可靠性是一個非常重要的因素。
下圖為一個成功的電子產品中熱設計扮演的角色以及環境對它的影響，可以看出，海拔、高溫、低溫、濕度、溫度沖擊、太陽熱輻射、沖擊振動、結冰、各類惡劣環境（真菌、沙漠、灰塵、煙灰等等）均對熱設計有不同程度的影響。
下圖顯示了地球大氣至外太空環境的溫度梯度、空氣組成，軍用或航空航天電子產品將會在這樣的環境下工作。
空氣的減少及密度的改變，會極大的影響電子產品的熱管理，二者對熱管理的影響可以參考下圖：
可以清楚地看出海拔對空氣行為的影響。電子產品的熱設計必須克服各類邊界條件，滿足產品工作的環境。
展開 用于電子廢熱回收與熱管理的無水熱電凝膠
作為應用演示，通過將熱電凝膠放置在充電電池/充電器/芯片表面，它在進行熱電轉換時充當導熱網絡，揭示了同時廢熱回收和熱管理的可行策略。這項研究為創作用于能量回收和自供電可穿戴電子產品的柔性熱電材料提供了新的見解。研究成果以“Anhydrous Thermogalvanic Gel for Simultaneous Waste Heat Recovery and Thermal Management of Electronics”為題發表于《ACS Applied Polymer Materials》。
03
圖文導讀
圖1. 熱電水凝膠設計與制備示意圖。
圖2. 有機凝膠的機械性能。
圖3. 熱電凝膠的抗干、抗凍性能。
圖4. 凝膠的熱電性能。
圖5. 基于熱電凝膠的概念證明可用于電子廢熱回收和熱管理。
END
★ 平臺聲明
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展開 電子產品熱管理現狀和未來技術方向思考
我們仍以電學中的功能元器件來類比，儲熱片只能充當類似電容的功能，而非電池。
和電池類似，熱池也并非適用于所有的消費終端，它只針對那些短時間應用、可間歇性關斷的設備。搭載熱池技術的產品，設備在工作時產生的熱量被儲存起來，在不被使用的時候則將熱量釋放。熱池技術普及后，移動式電子產品可以充冷，成為克服當前材料導熱性、散熱空間限制的另一方式。
寫在文后
電子產品的熱問題正在以前所未有的速度引起人們的重視。本文簡述了當前可接觸式消費電子產品的熱管理現狀和面臨的限制，指出在當前的技術水平和設計框架下，手機等產品散熱已達上限，難以應對持續攀升的熱量。結合傳熱學基本特征，作者以可實現性為序，提出了散熱外設、提高集成度、建立微通道熱管理系統和熱池等幾個思路方向，簡述了各個方向面臨的問題，為電子產品熱管理技術研究提供參考。
仿真 xiu專欄作者 陳繼良
展開 一種用于電子器件熱管理的相變復合材料
來源 | Chemical Engineering Journal
01
背景介紹
隨著集成電路小型化、高功率的快速發展，熱管理已成為電子器件的重要問題之一。然而，實現有效的熱管理是非常具有挑戰性的。因為電子產品主要由堅硬的材料制成，由于堅硬和粗糙的界面之間的點接觸，不能與散熱器產生完美的接觸。因此，需要低壓應力、耐久性好、高垂直導熱系數的熱界面材料（TIM）來填充粗糙表面之間的空隙。
石墨烯、碳納米管和碳纖維等微米級或納米級碳材料的引入是提高 TIM 導熱系數的最常用方法之一，因為它們具有超高的固有熱導率。熱導率增強主要取決于填料填充量、界面熱阻和填料形態，包括尺寸、厚度、縱橫比和排列方向。通常，具有高縱橫比、納米級厚度和超過滲透閾值的填充物會促進熱導率的增強。
然而，隨機分散的填料會導致有限的熱導率，由于不連續的導熱通路導致強烈的聲子散射，無法滿足一般操作要求。為了克服這一缺陷并充分利用高熱導率的碳基填料，它們通常通過電場/磁場輔助定向、剪切誘導排列等構建有序的導熱網絡。然而，由于填料之間的離散接觸，熱阻仍然過高。
相變材料（PCM）多年來一直用于許多領域，包括電子和建筑中的儲能和熱管理。通常，基于 PCM 的 TIM 由基質和熱填料組成。在相變溫度下，PCM基體會從固態轉變為液態，吸收熱能并充分潤濕粗糙表面以減少接觸熱阻，因此，開發出具有優異的熱導率以及柔性的導熱復合相變材料對于電子器件的進一步發展有著重要作用。
展開 一種用于電子器件熱管理的柔性相變材料
來源 | Journal of Energy Chemistry
01
背景介紹
隨著電子設備小型化和集成化的蓬勃發展，用于高級計算的微處理器的功率密度急劇增加。電子設備產生的大量熱量積聚在設備內部，例如集成電路。過熱引起的溫度升高會限制電子設備的工作適應性，導致頻繁的故障甚至自燃。因此，開發提高散熱效率的熱管理材料具有重要的意義。
相變材料(Phase change materials, PCMs)作為一種高效的熱管理材料，可以通過固-液相變過程吸收和釋放熱量。然而，PCMs存在漏液、導熱系數低、剛性強等固有缺陷，嚴重制約了其進一步的實際應用。大多數PCMs都表現出脆性和易碎性。當用作散熱器和加熱元件之間的熱界面材料(TIMs)時，這種現象會產生不可忽略的熱阻，從而對電子器件的熱管理效率產生不利影響。
柔性PCMs被認為是與物體接觸且能夠承受某些變形(例如，彎曲，拉伸和壓縮)的材料。雖然目前的PCMs具有優異的形狀穩定性和柔韌性，但由于難以加入導熱填料，其導熱性仍然有限。因此，當PCMs用作TIMs時，對靈活性和增強導熱性的要求仍然具有挑戰性。
02
成果掠影
近期，西南交通大學王勇和祁曉東團隊針對開發用于電子器件熱管理的柔性導熱相變材料取得最新進展。本文制備了聚二甲基硅氧烷/石蠟/氮化硼(PDMS/PW/BN)相變復合材料。首先通過刮削獲得BN沿平面(x-y方向)的排列，然后通過熱壓縮和滾切誘導BN沿平面(z方向)排列。因此，PW被交聯的PDMS/BN網絡包裹，從而形成與天然木材相似的年輪結構。年輪結構有效地避免了PW的液體泄漏，從而顯示出高達98%的高尺寸保留率。
展開 
用于電子皮膚熱管理的超薄、柔性、輻射式冷卻界面
來源 | Science Advances
原文 | https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adg1837
01
背景介紹
隨著柔性材料和加工技術的發展，柔性電子皮膚被視為下一代可穿戴電子設備的“新載體”。運用柔性電子設備結合無線通信技術可以提高信號采集的準確性和多樣性，在臨床檢測和精準醫療中有巨大應用潛力。
然而，柔性電路工作時會產生并積累焦耳熱，導致人體佩戴不舒適甚至面臨皮膚燒傷的風險。此外，戶外溫度、光線以及對流效應同樣會對柔性傳感系統的信號采集造成干擾。因此，開發可以與柔性電子設備良好結合的柔性材料，實現器件散熱、抗環境干擾等功能成為目前國際學界及工業界關注的前沿課題?，F有的熱管理技術主要以基于熱傳導和熱對流的方式進行散熱，但是這些散熱模塊因為自身體積、重量以及剛性等限制而不適用于可穿戴柔性電子設備中。
02
成果掠影
香港城市大學于欣格/雷黨愿團隊開發了一種通用的熱管理策略，通過使用超薄、柔軟的輻射冷卻界面（USRI），該界面允許通過輻射和非輻射傳熱來冷卻皮膚電子設備中的溫度，從而實現大于56°C的溫度降低。USRI的輕質和固有的柔性使其能夠用作適形密封層，因此可以很容易地與皮膚電子設備集成。從而可以演示包括柔性電路的焦耳熱被動冷卻，提高表皮電子器件的工作效率，以及穩定皮膚界面無線光電體積描記傳感器的性能輸出。這些結果為在先進的皮膚界面電子設備中實現有效的熱管理提供了一條替代途徑，用于多功能和無線操作的醫療保健監測。
展開 基于高導熱銅基復合水凝膠的電子器件熱管理新策略
因此對于新能源汽車、人工智能以及電子器件等行業的熱管理提出了更加嚴苛的要求。如何有效提高電子設備的散熱能力已成為智能裝備進一步發展的瓶頸問題。
典型的散熱方式分為主動和被動散熱和熱電冷卻。被動冷卻被認為是一種理想的散熱方法，可以降低噪音，從而降低能耗與上述方法相比。被動散熱主要包括自然對流、氣液或固液相變冷卻。熱管作為一種高效的氣液換熱裝置，因其可靠性高、熱性能優異，已廣泛應用于高功率密度電子元件的熱管理中。然而，在使用熱管冷卻時也存在一些問題。例如，熱管內外的腐蝕會影響傳熱性能。此外，污垢和結構布局的問題也對電子散熱產生重大影響。
水凝膠是一種新型的被動散熱材料 親水交聯聚合物鏈網絡。由于水凝膠中含有大量的親水基團，所以可以保持大約90%是水。水凝膠中的水由于其高潛熱(蒸發熱)被認為是熱管理的一個有前途的候選材料。然而，由于水凝膠的導熱性不佳，研究人員探究了許多方法來提高水凝膠的導熱性，因此如何提高水凝膠的熱導率是目前面臨的挑戰之一。
02
成果掠影
東南大學陳振乾教授團隊在高導熱水凝膠的制備與設計方面取得新進展。在這項工作中，該團隊采用了一種新的設計策略，將固液互穿聚合物網絡與銅納米顆粒結合起來，以提高熱管理性能。一方面，聚異丙基丙烯酰胺與海藻酸鹽組成的互穿聚合物網絡，使制備的水凝膠具有更好的結構穩定性，并且在多次循環后仍具有較強的吸濕性。另一方面，通過添加銅納米顆粒創建導熱通道優化導熱系數。導熱系數通過MD模擬計算，散熱性能通過紅外熱像儀和數值模擬研究。實驗結果表明，銅基復合水凝膠的實驗導熱系數提高到 0.71 W/(m·K)。
展開 一種用于電子器件智能熱管理的高導熱納米復合材料
該文通過水真空過濾(VAF)，將水分散自愈聚氨酯(W-SPU)、功能化BNNS和熱致變色分子(TCMs)合理組裝，設計了一種既具有珍珠狀結構又具有粘彈性的軟性熱致變色復合材料(STC)。實驗結果顯示該材料具有高的面內導熱系數(~30 W/mK)，低熱接觸電阻(~12 mm2 K W-1，比銀漿低4-5倍)，強而持久的附著力(~4607 J/m2，比環氧漿大2220 J/m2)和自修復效率。作為一種自粘式散熱器，它可以實現了各種電子設備的有效冷卻，溫度比聚酰亞胺外殼低20°C。除了具有自我修復功能外，STC的變色龍行為有助于肉眼監測溫度，從而實現智能熱管理。研究成果以“A Thermochromic, Viscoelastic Nacre?like Nanocomposite for the Smart Thermal Management of Planar Electronics ”為題發表于《Nano-Micro Letters》。
03
圖文導讀
圖1.(a)基于VAF策略的W-SPU、BNNS和TCM組成的STC膜及其在平面電子/電路中的應用照片和原理圖,插圖展示了STC膜的柔韌性和接觸角,(b)熱致變色STC油墨照片,(c)具有熱致變色性能的STC膜照片,(d)STC膜的自粘拉伸應力照片,(e)顯示STC膜自愈特性的照片(切片染成紅色和藍色),(f )STC-2膜在折疊過程中顏色穩定變化的照片,(g)照片顯示了STC膜自粘附在軟底(上)和自修復(下)的優異熱致變色性能,(h) TIM復合膜截面的SEM圖像。
圖2.
展開 用于電子器件熱管理的高導熱性和低導電性的柔性薄膜
電子系統，包括化工生產中的電子控制器，具有更高的和對小型化、集成化、智能化。但是，電子設備的高度集成通常是伴隨著功率密度的增加和更多的熱量產生，在運行過程中熱量的積累這是很難消散的。過多的熱量積累可能導致電子設備性能下降，甚至因熱失控而損壞設備，嚴重時可能威脅到人的生命財產安全。因此，迫切需要開發更先進、更適用于集成電子設備的熱管理技術和材料。
相變材料(PSMs)通過相變來儲存和釋放熱能，由于其能量密度大、體積變化小、相變溫度相對恒定等特點，在熱管理領域具有很大的應用前景。PCMs憑借其優良的溫度控制和熱管理特性，被公認為過熱保護和電子器件的最佳熱管理材料。然而，固-液相變材料固有的導熱系數低、泄漏、剛性大是制約其在電子設備、5G等高端熱管理領域應用的關鍵問題。
此外，熱管理材料的導電性也應考慮在內電子設備。電子產品中有大量的電路集成芯片中，這將不可避免地產生漏電流。熱管理材料往往由于含有高導電性石墨烯、碳納米管(CNTs)等導電性高的導熱填料，因此容易引起短路。那么如何使相變材料具有優異的傳熱性能，同時能保持低的電導率下和優異的柔性是目前面臨的挑戰之一。
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成果掠影
大連理工大學唐炳濤教授在制備具有高導熱和低電阻、以及優異的柔性的熱管理材料方面取得新進展。本文提出了一種新型的柔性熱管理相變薄膜PCPU/mCNTs。作者將烷基化改性碳納米管（mCNTs）設計成相變聚氨酯（PCPU）體系。基于高電阻和mCNTs的導熱性能，制備出的PCPU / mCNT薄膜表現出增強的導熱性和高電阻。
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