电子产品CFD散热仿真基础知识.docx

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1、电子产品CFD散热仿真基础知识目录1 .概述12 .什么是热？13 .为什么电子设备需要散热？24 .从事热设计需要哪些理论基础？35 .从事热设计需要掌握哪些工程软件？46 .电子热设计基础理论46.1.热传递的方式46.1.1.传导56.1.2,对流56.1.3.辐射56.2.电子产品增强散热的方式56.2.1.常规的增强散热方式56.2.2.电子产品水冷或者其他液体冷却66. 3.电子热设计中常用术语187. ANSYS在电子产品设计中应用197.1. 电子封装的热设计197.2.电子设备的热设计191 .概述人们对手机等电子产品的依赖程度越来越高，长时间用手机聊天、看影视剧、玩游戏，往

2、往会导致手机迅速发热，而手机类电子产品发热温升超过10度，性能往往会下降50%以上，并且手机类电子产品发热严重会导致手机重启或者爆炸等意外事故的发生。如何更好提升手机的散热性能并且预防上述意外事故的发生，需要借助CFD手段在手机类电子产品的研发阶段就“把好关”。随着电子工业技术的发展，Therma1Design,Therma1dissipationdesign这类的职位需求慢慢多了起来，比如在1inkedin上，我们可以看到欧洲、美国、日本、韩国等国家的一些相关企业不断地发布需求。对产品本身来讲，热设计将影响着产品的性能指标和可靠性指标，任何一家有竞争意识的公司都必须对此予以重视。本文将从一个

3、入门者的角度浅谈做好热设计工作所需要的基础理论，供学习爱、从事和热爱热设计和CFD的朋友参考。2 ,什么是热？谈到热设计，首先需要知道什么是热？目前热学领域的文献都是把热当做“运动”来考虑的，这种“运动”是一种极其复杂几乎无法解释的微观运动。依笔者的非理性预测，打通经典力学与量子力学之间桥梁之一可能是微观热学，换句话讲若能彻底搞清楚热量的微观传递、转换实质将会对整个基础物理领域有着深远影响。当然，很多研究人员在微纳尺度传热领域孜孜不倦地探索，相信在不久的将来我们会对热学有着更深刻和本质的认识。至于热运动的激烈程度可通过约定的温标来横向比较。华氏温标、绝对温标、摄氏温标相应的单位表达分别为F、K

4、、（美国常用华氏温度，所以当选用MadeinUSA的产品时，要注意指标单位的转换）。3 .为什么电子设备需要散热？电子设备制造商规定了设备工作的最高允许温度。如果高于这个温度，他们就不能保证预期性能和寿命，于是要通过热设计（散热、冷却）控制温升。温度对电子设备的影响可分为两类：1、对性能的影响。温度对大多数电子元件、组件以及整机设备的性能有着直接的影响，热也常常是噪声、干扰的来源之一，如雷达天线、红外侦查设备等。2、对可靠性的影响。从电子设备可靠性设计的角度，大多数电子元器件过早失效的主要原因是过应力（电热应力或机械应力）。电应力和热应力之间存在紧密的内在联系，减小电应力（降额）会使热应力得到

5、相应的降低，从而提高器件的可靠性。国军标GJB/Z299C-2006给出了各种元、组件的失效率设计方法，可供热设计人员参考。对于微电子设备，温度所造成失效通常分为三类：（1）与温度相关的机械失效。机械失效包括过度变形、屈服、裂隙以及不同材料界面的分离。材料受力后产生的压力高于材料的屈服强度，不同材料界面处的剪力或拉力过大，或者低强度交边应力产生的疲劳都会引发机械失效。每种材料都有一定的热膨胀系数，常表现为热胀冷缩的宏观特性。当温度变化时会引起结构件几何尺寸的变化，进而产生热应力。热应力、封装残余应力以及其他外力叠加在一起作用于元器件会加速它的机械失效过程。失效的形式常有：引线疲劳断裂、键合点的

6、疲劳断裂、芯片断裂、粘合而疲劳脱开、塑料封装的疲劳裂纹等。（2）与温度相关的腐蚀失效。腐蚀是化学反应的结果，一般分为干腐蚀和湿腐蚀，前者如铝、铜等金属材料在空气中氧化，后者则需要电解液、潮湿环境或电动势驱动，如金属和键合点腐蚀，常因凝水后电化学腐蚀造成，又如功率器件的应力腐蚀，在应力生成裂纹的尖点化学腐蚀会进一步提升裂纹的扩展速度。（3）与温度相关的电气失效。电气失效是指设备的性能异常，严重偏离设计者预期。这些失效可能是间歇性的，也可能是持续性的。常见的与温度相关的电气失效如下：1）热逸溃。晶体管的导通电阻随温度增加而增大。如果晶体管的热量没有及时散走，温度将会上升，引起导通电阻增加，最终导致

7、热逸溃并损坏晶体管。2)电过载。温度升高时硅的电阻下降。硅芯片升温时，电阻下降，形成更大的电流，反过来又促进更大的温升。如果温度达到材料熔点，会造成永久性损伤。3)离子污染。封装、互联、装配、测试、工作过程中都会引起污染。离子迁移速度是与温度相关的。流动的带电离子会产生不受控的电流，降低设备的性能。4)电迁移。在电场中，导电离子或者原子的移动是电子动量迁移(碰撞)的结果。这使离子或者原子从原来位置迁移到其他位置而产生空隙，大量的空隙会产生断点或断路。高强度电流增加了传导电子的数量，相应地增了轰击原子的概率，所以电迁移故障通常在高强度电流和高温时发生。4 .从事热设计需要哪些理论基础？热设计是一

8、门综合性极强的工作，涉及热能、流体、机械、电子、测试等多个专业方向的基础知识。目前，从企业对设计研发人才的需求来看，高等院校的本硕博专业设置并没有与企业需求吻合度高的对应专业。在现实的就业中企业和求职人员都各自进行了调整，从事散热设计的工程师主要是热能、流体和机械或电子等专业出身的人。但是，不同专业出身的人都存在着不同的技术瓶颈。以我单位相关人员技术能力为例：热能专业出身的人，虽然在工程热力学、传热学、数值传热模拟、制冷等领域有着较好的基础，但是对于电子设备热耗原理、机械结构三维设计(如锁金)、应力分析、机械制造工艺，以及复杂CFD问题分析都是自己的短板。流体专业出身的人和热能专业整体情况类似

9、，差别就在流体专业出身人对热学基础知识掌握较少。机械专业的人刚入职时会表现的各方面上手很快，很多领域的知识都适度了解，缺点是不够精通。电学出身的人改行做散热的还是寥寥无几，可能他们确实不喜欢传热和CFD数值模拟这个方向。论发展潜力流体专业和热能专业出身的人更容易做到资深的水平，机械专业出身的人专业面广，适应性强，很多中初级职位可胜任，而对于电学出身的人虽然很容易理解工作对象、计算和分析热耗，但是转行过来的挑战性是最大的。依笔者看来，想做好热设计的工作至少要掌握以下几门课程的基础知识：(1)工程热工学(2)传热学(3)数值传热学(4)流体力学(5)计算流体力学(6)弹性力学与有限元(7)热工测试

10、技术(8)制冷技术原理(9)电力电子器件热管理5 .从事热设计需要掌握哪些工程软件？最后，简单介绍下从事热设计工作会遇到的软件，以下软件也是笔者亲身使用过的。1Icepak:由FhIent公司开发，专门为电子产品工程师定制开发的专业的电子热分析软件。对于用户来讲，该软件继承了FIUent软件的诸多特征，并使用ICEM网格工具，具有简单、易用、高效且功能强大的优点。我个人认为它最大的优点是He1P文档写的非常完美，以至于不需要看其他的出版物。2、F1otherm:也是一款非常优秀的热设计仿真软件，可以实现从元器件级、PCB板和模块级、系统整机级到环境级的热分析。该软件操作简单，模型导入更为方便，

11、并且结果显示更为惊艳。不过F1Otherm的HeIP文档非常简单，如果要深入掌握需要在网上多收集相关机构的培训资料。3、F1uent：不多介绍了，行业经典软件，当使用ICePak或F1otherm仿真出现非正常结果时，可用FkIent标定对比，特别是自然对流散热时，材料表面特性定义、Ray1eighNUmber评估、湍流模型选择乃至初始条件都可能使得结果有较大偏差。4、CFX：不多介绍了，行业经典软件，当使用ICePak或F1Otherm仿真出现非正常结果时，可用CFX标定对比。5、Creo/Ug/So1idworks/AutoCAD：不介绍了，三维设计软件，需要具有快速建模的能力，设计非标散

12、热系统，并输出工程图纸。6、A1tium/Prote1：PCB设计工具，从事热设计工作需要了解软件的输出功能，以便把PCB模型转入CreO/Ug/So1idworks、ICEPAK、F1otherm等软件。7、Mat1ab/Exce1：设计和仿真需要通过试验来验证是否合理。对试验数据的处理需要用到Mat1ab/Exce1软件，如绘图、拟合换热关联式、统计分析等。6 .电子热设计基础理论6.1. 热传递的方式热量传递的基本规律是热量从高温区域向低温区域传递，热量的传递方式主要包括三种：传导、对流、辐射。6.11传导传导是由于动能从一个分子转移到另一个分子而引起的热传递。传导可以在固体、液体或气体

13、中发生，它是在不透明固体中发生传热的唯一形式。对于电子设备，传导是一种非常重要的传热方式。利用传导进行散热的方法有：增大接触面积，选择导热系数大的材料，缩短热流通路，提高接触面的表面质量，在接触面填导热脂或加导热垫，接触压力均匀等。6.1.2.对流对流是固体表面和流体表面间传热的主要方式。对流分为自由对流和强迫对流，是电子设备普遍采用的一种散热方式一一所谓的自然对流是因为冷、热流体的密度差引起的流动，而强迫风冷是由外力迫使流体进行流动，更多是因为压力差而引起的流动。产品设计中提到的风冷散热和水冷散热都属于对流散热方式。影响对了换热的因素很多，主要包含：流态（层流/湍流）、流体本身的物理性质、换

14、热面的因素（大小、粗糙程度、放置方向）等。6.1.3.辐射辐射是在真空中进行传热的唯一方式，它是量子从热体（辐射体）到冷体（吸收体）的转移。提高辐射散热的方法有：提高冷体的黑度，增大辐射体与冷体之间的角系数，增大辐射面积等。6.2.电子产品增强散热的方式6. 2.1.常规的增强散热方式电子产品的设计可以通过以下几种方式增强散热：1）增加有效散热面积：散热面积越大，热量被带走的越多2）增加强迫风冷的风速、增大物体表面的对流换热系数3）减小接触热阻：在芯片与散热器之间涂抹导热硅脂或者填充导热垫片，可有效减小接触面的接触热阻，这种方法在电子产品中最常见。4）破环固体表面的层流边界层，增加紊流度。由于

15、固体壁面的速度为0,在壁面形成流动的边界层，凹凸不规则的表面可以有效破坏壁面的层流边界，增强对流换热。5）减小热路的热阻：因为空气的导热系数比较小，狭小空间内的空气容易形成热阻塞，因此热阻较大。如果在器件和机箱外壳间填充绝缘的导热垫片，则热阻势必降低，有利于其散热。6）增加壳体内外表面、散热器表面等的发射率：对于一个密闭的自然对流的电子机箱，当壳体内外表面氧化处理比不氧化处理时元件的温升平均下降10%。6.2.2.电子产品水冷或者其他液体冷却6.2.2.1.概述当电子设备的热流密度较大，靠强迫风冷无法控制温升时，或虽可用强迫风冷，但冷却用散热器必须很大，在结构上难以实现时，或空用电子设备因空气

16、密度小，难以使用强迫风冷时，可采用液体冷却。优点：由于液体的导热系数和热容比空气大得多，所以与风冷相比较，液冷具有换热热阻小，冷却效率高等优点。例：用水作为冷却剂的液体冷却，换热量可达4080Wc?,最大可达120Wcf国内大多数大功率发射机的发射管（如速调管、行波管、返波管、磁控管等）都采用液冷方法。“液冷”这个熟悉又陌生的名词其实与我们的生活不远，他的最早应用领域是计算机PC等电子产品中。液体冷却的最大优势是导热率高、热容量大。同时，液冷系统是一个循环散热系统，它可以将温度流动到箱体外散掉。因此在液体冷却系统中几乎不会出现热尖峰现象，这就很好地解决了电脑的死机问题。液冷系统可以将CPU的温度