電子產(chǎn)品熱管理
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電子產(chǎn)品熱管理的視頻教程
如何做汽車(chē)動(dòng)力電子產(chǎn)品的熱仿真分析
/10862 （2）研發(fā)能力的持續(xù)提升和仿真軟件的作用——以熱設(shè)計(jì)為例 點(diǎn)擊報(bào)名：https://www.yqgqt.org.cn/live/10866 （4）Star-ccm在熱管理工程實(shí)例中的應(yīng)用技巧及方法 點(diǎn)擊報(bào)名：https://www.yqgqt.org.cn/live/10870 主要方向：針對(duì)汽車(chē)動(dòng)力電子產(chǎn)品的熱仿真分析 直播內(nèi)容： 一、基礎(chǔ)知識(shí)簡(jiǎn)介 1.汽車(chē)電子產(chǎn)品分類(lèi)
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從零開(kāi)始學(xué)散熱——常見(jiàn)電子產(chǎn)品熱設(shè)計(jì)分析和解決思路實(shí)例分析總結(jié)
徹底從實(shí)際出發(fā)，解讀常見(jiàn)電子產(chǎn)品熱問(wèn)題分析思路。快速理解散熱問(wèn)題解決方法。 適用對(duì)象： 剛從事或想從事熱設(shè)計(jì)相關(guān)工作的學(xué)生或工程師； 或非專(zhuān)業(yè)熱設(shè)計(jì)工程師但在公司不得不承擔(dān)熱設(shè)計(jì)任務(wù)的工程師。
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電子產(chǎn)品熱管理的實(shí)例教程
在太空電子產(chǎn)品、某些汽車(chē)電子產(chǎn)品以及各種在極端環(huán)境下工作的物聯(lián)網(wǎng)（IoT）應(yīng)用中，電阻式加熱器很常見(jiàn)。
熱電散熱：這種熱管理固態(tài)設(shè)備，利用Peltier效應(yīng)將電能轉(zhuǎn)換為熱能。電流通過(guò)兩個(gè)不同的半導(dǎo)體材料，會(huì)導(dǎo)致一端的溫度升高，另一端的溫度降低。這個(gè)較低溫度端可直接連接至需要散熱的電子組件。
將熱管理設(shè)計(jì)到電子系統(tǒng)中的流程
從微小的微型芯片到海量數(shù)據(jù)中心，設(shè)計(jì)電子系統(tǒng)的工程師必須探索系統(tǒng)的熱行為，然后選擇相應(yīng)熱管理解決方案——需要符合系統(tǒng)熱性能標(biāo)準(zhǔn)、具有成本效益，而且不會(huì)產(chǎn)生與系統(tǒng)電氣或結(jié)構(gòu)要求有關(guān)的問(wèn)題。
熱管理設(shè)計(jì)通常應(yīng)該集成到整體產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程中，尤其是以仿真為導(dǎo)向的設(shè)計(jì)流程。以下技術(shù)有助于開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)了解應(yīng)用，以快速進(jìn)行權(quán)衡并優(yōu)化解決方案。
組件特征描述
要獲得有效的熱管理解決方案，首先要了解系統(tǒng)的組件的熱屬性。設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)該先收集技術(shù)信息，例如系統(tǒng)中每個(gè)電子組件及機(jī)械組件的幾何結(jié)構(gòu)、材料屬性、發(fā)熱、熱容量、標(biāo)準(zhǔn)工作條件以及可接受的工作溫度等。
這些值可從供應(yīng)商那里獲得，或者您可能必須進(jìn)行熱特征測(cè)試。為了估算散熱量，電氣工程師通常會(huì)根據(jù)組件產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)中列出的電氣行為運(yùn)行電路模型。此外，還可利用仿真來(lái)確定組件和互連中的允許熱應(yīng)變，或描述組件裝配體的熱行為特征。
環(huán)境評(píng)估
一旦團(tuán)隊(duì)知道了電子系統(tǒng)內(nèi)部的情況，他們就需要了解系統(tǒng)的工作環(huán)境。
消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品的散熱解決方案與航空電子設(shè)備中的熱管理解決方案截然不同。
展開(kāi) 除了各種復(fù)雜的邊界條件外，國(guó)防工業(yè)電子產(chǎn)品熱管理的最大挑戰(zhàn)是碰到短暫的熱沖擊問(wèn)題。這些電子產(chǎn)品經(jīng)常處于一種極端的熱環(huán)境下。假想一架停放在加勒比海的噴氣式戰(zhàn)斗機(jī)，現(xiàn)在要去執(zhí)行一項(xiàng)任務(wù)。飛機(jī)此時(shí)處在海平面，溫度、濕度非常合適的環(huán)境下。當(dāng)飛機(jī)升空后，將處于高海拔、低于冰點(diǎn)溫度的環(huán)境中，在幾分鐘甚至幾秒鐘內(nèi)改變電子產(chǎn)品的邊界條件，因此飛機(jī)中的電子產(chǎn)品必須可以在較大范圍的環(huán)境溫度下工作。
另外，由于軍事任務(wù)的本性，勢(shì)必導(dǎo)致這些電子產(chǎn)品承擔(dān)較大的數(shù)據(jù)處理量，同時(shí)要求較快的數(shù)據(jù)處理速度，相應(yīng)低，電子產(chǎn)品的熱耗會(huì)隨之急劇增加。因此，惡劣的環(huán)境條件、急劇增大的芯片熱耗，使得國(guó)防工業(yè)電子產(chǎn)品的熱管理面臨巨大的挑戰(zhàn)。同時(shí)，要求產(chǎn)品呈現(xiàn)輕量化、完美的可靠性也都增加了熱設(shè)計(jì)的難度。
對(duì)許多處于大氣層或者外太空環(huán)境下的電子設(shè)備來(lái)說(shuō)，重量是一個(gè)非常重要的要素。重量越輕，產(chǎn)品持續(xù)工作的時(shí)間越長(zhǎng)，花費(fèi)的費(fèi)用越低。很明顯，由于噴氣式戰(zhàn)斗機(jī)、導(dǎo)彈、坦克等的既有特性，使得電子產(chǎn)品處于惡劣的熱環(huán)境下，因此國(guó)防工業(yè)電子產(chǎn)品的熱可靠性是一個(gè)非常重要的因素。
下圖為一個(gè)成功的電子產(chǎn)品中熱設(shè)計(jì)扮演的角色以及環(huán)境對(duì)它的影響，可以看出，海拔、高溫、低溫、濕度、溫度沖擊、太陽(yáng)熱輻射、沖擊振動(dòng)、結(jié)冰、各類(lèi)惡劣環(huán)境（真菌、沙漠、灰塵、煙灰等等）均對(duì)熱設(shè)計(jì)有不同程度的影響。
下圖顯示了地球大氣至外太空環(huán)境的溫度梯度、空氣組成，軍用或航空航天電子產(chǎn)品將會(huì)在這樣的環(huán)境下工作。
空氣的減少及密度的改變，會(huì)極大的影響電子產(chǎn)品的熱管理，二者對(duì)熱管理的影響可以參考下圖：
可以清楚地看出海拔對(duì)空氣行為的影響。電子產(chǎn)品的熱設(shè)計(jì)必須克服各類(lèi)邊界條件，滿足產(chǎn)品工作的環(huán)境。
展開(kāi) 電子產(chǎn)品熱管理問(wèn)題正變得越來(lái)越嚴(yán)峻。熱物理定律的限制和產(chǎn)品熱失效機(jī)制特征，使得溫度控制問(wèn)題在很快的時(shí)間內(nèi)從一個(gè)幾乎不需要考慮的因素上升到產(chǎn)品設(shè)計(jì)的核心難題。本文概述了當(dāng)前可觸摸類(lèi)消費(fèi)電子產(chǎn)品常用的熱設(shè)計(jì)方案，并結(jié)合當(dāng)前技術(shù)特征，對(duì)未來(lái)可能出現(xiàn)的熱研究方向提出了猜想。
寫(xiě)在文前
清潔能源、5G萬(wàn)物互聯(lián)、人工智能是當(dāng)今普遍認(rèn)可的社會(huì)演進(jìn)方向。在實(shí)現(xiàn)這幾個(gè)愿景的過(guò)程中，要解決海量的科學(xué)難題。其中，熱管理問(wèn)題是這三個(gè)方向共同面臨的難題：清潔能源中，風(fēng)力發(fā)電機(jī)、光伏逆變器需要溫度控制，電動(dòng)車(chē)中的熱管理系統(tǒng)甚至是決定汽車(chē)安全性的核心技術(shù)；5G基站、終端產(chǎn)品的熱問(wèn)題更是直接影響使用體驗(yàn)，近乎成為每個(gè)商家在宣傳產(chǎn)品時(shí)重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)的技術(shù)點(diǎn)；人工智能需要巨大的算力支持，元器件發(fā)熱量急劇加大，間接液冷甚至浸沒(méi)冷卻已經(jīng)在數(shù)據(jù)中心廣泛使用。
援引英特爾在2010年半導(dǎo)體熱管理會(huì)議上的數(shù)據(jù)（下圖1），單芯片功耗在16nm工藝制程時(shí)已經(jīng)達(dá)到了700W，熱流密度甚至已經(jīng)超過(guò)2.0W/mm^2。這意味著為了達(dá)成溫度目標(biāo)（通常在100℃左右），外部的散熱手段要在數(shù)十度的溫升前提下在硬 幣大小的面積上每秒鐘轉(zhuǎn)移數(shù)百焦耳的熱量。
圖1 不同工藝制程下Intel NOC芯片的功耗值[1]
圖2 不同工藝制程下Intel NOC芯片的功耗密度值[1]
手機(jī)、平板電腦等可觸摸類(lèi)消費(fèi)電子產(chǎn)品的綜合熱流密度雖然不高，但其溫度設(shè)計(jì)空間小（通常在20℃左右），散熱手段受到空間、噪聲、電磁信號(hào)等影響和限制，熱設(shè)計(jì)難度也非常大。受制于此，電子產(chǎn)品的熱設(shè)計(jì)正迅速?gòu)臄?shù)年前的毫不關(guān)注到現(xiàn)出全方位設(shè)計(jì)的方向演進(jìn)。
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寫(xiě)在前面
當(dāng)前，電子產(chǎn)品朝著功能齊全、輕量化、低成本的方向發(fā)展，這種需求使得PCB板必須在高密度電流的情況下工作。一般來(lái)說(shuō)，汽車(chē)電子產(chǎn)品在惡劣的環(huán)境中運(yùn)行。在過(guò)去的幾十年中，電子在汽車(chē)行業(yè)中使用越來(lái)越多，其對(duì)輕量化和經(jīng)濟(jì)高效電子的需求呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。
另外與外部包裝輕量化要求相同，電子產(chǎn)品的功能增加了很多，這勢(shì)必對(duì)電子產(chǎn)品的熱管理提出了挑戰(zhàn)。為了滿足應(yīng)用程序所需的眾多功能，電路板器件的密度、PCB板上的電流也增加了很多。在高電流的需求下，焦耳加在PCB板上的熱耗是非常大的。如果采用自然散熱的方式，不對(duì)PCB表面使用額外冷卻手段的情況下，PCB上的器件和銅箔層的散熱是一個(gè)巨大的熱挑戰(zhàn)。
PCB熱管理實(shí)例介紹
在本研究中，該產(chǎn)品包含，一個(gè)塑料外殼，PCB及能夠在高電流下工作的電子元件。
該P(yáng)CB產(chǎn)品擁有多個(gè)輸入和輸出，支持各種負(fù)載。高密度電流流過(guò)PCB中的多層銅箔上。這些銅層(由于尺寸的限制) ，在高密度電流情況下，勢(shì)必導(dǎo)致較高的焦耳熱。另外，在PCB基板上有多個(gè)電子部件工作。結(jié)果，這些部件處于較高的工作溫度下。
本研究使用熱風(fēng)險(xiǎn)管理工具(Thermal Risk Management tool，TRM)進(jìn)行電熱模擬，熱測(cè)量分別通過(guò)熱成像和熱電偶，來(lái)對(duì)熱場(chǎng)和元件的溫度進(jìn)行測(cè)量。熱模擬與測(cè)量的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，誤差在±3%范圍內(nèi)。
展開(kāi) 來(lái)源 | Journal of Energy Chemistry
01
背景介紹
隨著電子設(shè)備小型化和集成化的蓬勃發(fā)展，用于高級(jí)計(jì)算的微處理器的功率密度急劇增加。電子設(shè)備產(chǎn)生的大量熱量積聚在設(shè)備內(nèi)部，例如集成電路。過(guò)熱引起的溫度升高會(huì)限制電子設(shè)備的工作適應(yīng)性，導(dǎo)致頻繁的故障甚至自燃。因此，開(kāi)發(fā)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(guò)固-液相變過(guò)程吸收和釋放熱量。然而，PCMs存在漏液、導(dǎo)熱系數(shù)低、剛性強(qiáng)等固有缺陷，嚴(yán)重制約了其進(jìn)一步的實(shí)際應(yīng)用。大多數(shù)PCMs都表現(xiàn)出脆性和易碎性。當(dāng)用作散熱器和加熱元件之間的熱界面材料(TIMs)時(shí)，這種現(xiàn)象會(huì)產(chǎn)生不可忽略的熱阻，從而對(duì)電子器件的熱管理效率產(chǎn)生不利影響。
柔性PCMs被認(rèn)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(yōu)異的形狀穩(wěn)定性和柔韌性，但由于難以加入導(dǎo)熱填料，其導(dǎo)熱性仍然有限。因此，當(dāng)PCMs用作TIMs時(shí)，對(duì)靈活性和增強(qiáng)導(dǎo)熱性的要求仍然具有挑戰(zhàn)性。
02
成果掠影
近期，西南交通大學(xué)王勇和祁曉東團(tuán)隊(duì)針對(duì)開(kāi)發(fā)用于電子器件熱管理的柔性導(dǎo)熱相變材料取得最新進(jìn)展。本文制備了聚二甲基硅氧烷/石蠟/氮化硼(PDMS/PW/BN)相變復(fù)合材料。首先通過(guò)刮削獲得BN沿平面(x-y方向)的排列，然后通過(guò)熱壓縮和滾切誘導(dǎo)BN沿平面(z方向)排列。因此，PW被交聯(lián)的PDMS/BN網(wǎng)絡(luò)包裹，從而形成與天然木材相似的年輪結(jié)構(gòu)。年輪結(jié)構(gòu)有效地避免了PW的液體泄漏，從而顯示出高達(dá)98%的高尺寸保留率。
展開(kāi) 
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電子產(chǎn)品熱管理的最新內(nèi)容
通過(guò)此次課程的學(xué)習(xí)，你將打開(kāi)電子熱管理的大門(mén)，掌握Ansys Icepak的基本操作流程，具備電子產(chǎn)品熱管理問(wèn)題的基礎(chǔ)仿真能力。
時(shí)間：2月27日 ，15:00-16:30
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電子產(chǎn)品熱管理的未來(lái)
看似無(wú)關(guān)的技術(shù)進(jìn)步，也將影響熱管理未來(lái)，其中一個(gè)良好示例是近來(lái)人工智能（AI）的蓬勃發(fā)展。大型語(yǔ)言模型（LLM）使用大量的GPU，這為大型數(shù)據(jù)中心的散熱技術(shù)帶來(lái)了熱管理難題。
隨著數(shù)字世界的擴(kuò)展與發(fā)展，對(duì)高功率高速電子產(chǎn)品的需求將繼續(xù)推動(dòng)熱管理的創(chuàng)新發(fā)展。
AEDT Icepak 是 Ansys Electronics Desktop（AEDT）平臺(tái)中用于電子熱管理的 CFD 求解器。它基于 Ansys Fluent CFD 求解器，可預(yù)測(cè) IC 封裝、PCB、電子裝配體、外殼和電力電子設(shè)備中的氣流、溫度和熱傳遞，為電子冷卻提供強(qiáng)大解決方案。
8月5日，Ansys官方研討會(huì)『AEDT Icepak降階模型：動(dòng)態(tài)熱管理及快速優(yōu)化解決方案
根據(jù)熱力學(xué)第二定律，電子產(chǎn)品熱管理問(wèn)題會(huì)不可逆地成為所有高端產(chǎn)品共同面臨的核心難題，熱管理成本占比會(huì)越來(lái)越高。鑒于熱管理設(shè)計(jì)的重要性，許多成功的公司已經(jīng)認(rèn)識(shí)到這一點(diǎn)，并因此大幅提高了熱設(shè)計(jì)工程師的薪酬，使其成為近年來(lái)研發(fā)團(tuán)隊(duì)中薪資增長(zhǎng)最快、水平最高的職位之一。
2、如何有效提升設(shè)計(jì)能力？
制定高效熱管理策略
與其它電子產(chǎn)品面臨的熱管理挑戰(zhàn)類(lèi)似，無(wú)線充電器的主要熱管理挑戰(zhàn)也是基于對(duì)更快充電和更小設(shè)備的要求。消費(fèi)者想要的是一種既可便捷充電，又能隨身放在口袋里的產(chǎn)品。但要使智能手表或其它小型消費(fèi)類(lèi)電子設(shè)備的整體封裝小型化，添加風(fēng)扇等大型散熱解決方案可能并不可行。工程師在設(shè)計(jì)小型空間解決方案時(shí)，會(huì)遵循安全熱閾值，他們通常會(huì)把目光投向下列等備選散熱方法。
現(xiàn)從事電子產(chǎn)品熱管理創(chuàng)新方案研發(fā)工作，《從零開(kāi)始學(xué)散熱》主編。
??課程特點(diǎn)
1.系統(tǒng)性：課程從熱設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)理論出發(fā)，逐步深入到Ansys Icepak軟件的具體操作，內(nèi)容涵蓋熱仿真基本原理、熱設(shè)計(jì)理論知識(shí)、常見(jiàn)散熱物料的選型設(shè)計(jì)方法，以及產(chǎn)品熱仿真建模方法和熱方案優(yōu)化思路。
此外，?對(duì)于PCB板的設(shè)計(jì)，?通過(guò)仿真分析銅層厚度對(duì)溫度的影響，?可以?xún)?yōu)化PCB板的熱管理，?提高電子產(chǎn)品的穩(wěn)定性和可靠性。?
汽車(chē)制造：?在汽車(chē)制造領(lǐng)域，?熱仿真用于評(píng)估引擎在高溫條件下的工作表現(xiàn)，?確保引擎的穩(wěn)定性和耐久性。?例如，?通過(guò)模擬汽車(chē)引擎在不同工況下的溫度分布，?可以?xún)?yōu)化冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，?提高汽車(chē)的性能和安全性。?
摘要：本文介紹了在電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)流程中，在產(chǎn)品方案階段和數(shù)字化樣機(jī)驗(yàn)證階段，CAE熱設(shè)計(jì)發(fā)揮的重要作用。展示了使用PERA SIM Fluid通用流體仿真軟件進(jìn)行工業(yè)相機(jī)散熱仿真，從導(dǎo)入幾何模型開(kāi)始，到劃分全六面體網(wǎng)格、定義流體域、固體域、為各個(gè)體賦予材料參數(shù)，添加邊界條件，物理模型設(shè)置以及求解器設(shè)置，最終得到熱分析結(jié)果，驗(yàn)證產(chǎn)品設(shè)計(jì)，為電子產(chǎn)品在樣機(jī)驗(yàn)證前再把一道關(guān)。
關(guān)鍵詞：熱設(shè)計(jì)
