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电子设备热分析研究

作者:

关键词:

摘要：

引言

随着科学技术的快速发展电子技术在各个领域得到了广泛的应用。电子元器件朝微型化、小型化方向发展，电子设备集成度不断提高，功耗不断增加，热流密度急剧上升。同时，相关研究表明，电子元器件的失效率随温度的升高而上升，电子元器件的温度每升高10 ℃，其失效率就会增加一倍左右[1]，同时电子设备的平均使用寿命也会随着工作温度的升高而下降。据统计，电子设备的失效有55%是温度超过允许值而引起的[2]。散热问题已经成为制约电子产品可靠性的重要关键因素之一。

1 传热机理

按照传热的不同机理可分为传导、对流和辐射三种类型[3]。其中传导和对流通常是影响设备传热或整个运行过程的主要因素。传导是通过电动机和电线等固体部件进行的，而对流则是通过流动介质进行的。对流通常是利用风扇来驱动空气流动，而散热器则利用对流将热量转移出热敏区域。

传导的本质是通过电子运动和分子振动来传递能量。当静止的固体或流体介质中存在温度梯度时，会发生热传导。根据傅立叶定律，热通量可由温度梯度乘以导热系数 k [w/(m·k]得出，即q=-kΔt

对流则是由流体运动引起的，当流体整体流动时或进行宏观运动时能量会发生转移。如果是由外部因素导致的流体流动，称为强制对流；如果是由内部浮力引起的流动，则称为自然对流。此时，速率方程可由牛顿冷却定律给出，有限元中作为对流问题的边界条件。热通量可表示为：

式中，ts(k)为物体表面温度，ta(k)为周围流体温度，h [w/(m2·k)]为对流传热系数。

辐射作为第三种传热机制。辐射发生在温度不同的不透明表面之间，有无中间介质均可发生。此时，热通量（表面热辐射）可表示为物体向外辐射的能量与接收的辐射能量之差：

式中，（无量纲）为辐射系数，σ[w/(m2·k4)]为斯特藩-玻尔兹曼常数，ts(k)为物体表面温度，α( 无量纲 )为吸收率，G(w/m2) 为物体受到的辐射。

2 散热技术

（1）机箱自然冷却技术。机箱自然冷却主要通过表面辐射散热和空气自然对流换热等形式，通常可增大机箱散热面积或者机箱做开孔设计等措施来加强机箱散热效果。

（2）强制对流冷却技术。通过加装散热风扇、空调等设备对电子元器件进行强制对流散热，对强制对流冷却进行了模型分析，如下图所示：图1为速度分析，图2为温度分析情况。

图1 速度分析

图2 温度分析情况

（3）液态金属散热技术。金属热导率一般远高于非金属材料，散热技术主要是利用了低熔点的金属或其合金等来构成一种冷却介质，主要利用这种介质的低熔点、高沸点、高比热容、大热导率并且该介质具有一定的流动性等特性来现实电子芯片散热的作用。

（4）纳米流体散热技术。作为一种新型高传热性能、高效率的能量输运工质纳米流体如今迅速发展，该纳米流体可有效提高基液的传热性能，对热系统的低阻、紧凑、高效等性能指标的提高具有重要影响，能满足热系统高负荷的传热冷却要求，满足一些特殊条件下的强化传热要求，在强化传热领域具有十分广阔的应用前景和潜在的重大经济价值，纳米流体散热技术被称之为未来冷却散热技术。

3 结束语

通过目前电子设备在各个领域的广泛应用、发展趋势、传热机理和散热技术分析，对电子设备传热机理和散热技术有了一个新的认识，对以后在生产实践中电子设备设计、制造、生产、管理、服务等方面具有一定的指导意义。

[1]OZMAT technologies and the thermal performance of MCM[C].Conference on Thermal Phenomena in Electronic Systems,I-therm Ⅲ,IEEE,1992:53．

[2]邓道杰,陈奎.基于Flo THERM的抗恶劣环境计算机热仿真[J].电脑知识与技术,2016,12(7):229-231.

[3]程尚模.传热学[M].北京:高等教育出版社,1990:61.

引言随着科学技术的快速发展电子技术在各个领域得到了广泛的应用。电子元器件朝微型化、小型化方向发展，电子设备集成度不断提高，功耗不断增加，热流密度急剧上升。同时，相关研究表明，电子元器件的失效率随温度的升高而上升，电子元器件的温度每升高10 ℃，其失效率就会增加一倍左右[1]，同时电子设备的平均使用寿命也会随着工作温度的升高而下降。据统计，电子设备的失效有55%是温度超过允许值而引起的[2]。散热问题已经成为制约电子产品可靠性的重要关键因素之一。1 传热机理按照传热的不同机理可分为传导、对流和辐射三种类型[3]。其中传导和对流通常是影响设备传热或整个运行过程的主要因素。传导是通过电动机和电线等固体部件进行的，而对流则是通过流动介质进行的。对流通常是利用风扇来驱动空气流动，而散热器则利用对流将热量转移出热敏区域。传导的本质是通过电子运动和分子振动来传递能量。当静止的固体或流体介质中存在温度梯度时，会发生热传导。根据傅立叶定律，热通量可由温度梯度乘以导热系数 k [w/(m·k]得出，即q=-kΔt对流则是由流体运动引起的，当流体整体流动时或进行宏观运动时能量会发生转移。如果是由外部因素导致的流体流动，称为强制对流；如果是由内部浮力引起的流动，则称为自然对流。此时，速率方程可由牛顿冷却定律给出，有限元中作为对流问题的边界条件。热通量可表示为：式中，ts(k)为物体表面温度，ta(k)为周围流体温度，h [w/(m2·k)]为对流传热系数。辐射作为第三种传热机制。辐射发生在温度不同的不透明表面之间，有无中间介质均可发生。此时，热通量（表面热辐射）可表示为物体向外辐射的能量与接收的辐射能量之差：式中，（无量纲）为辐射系数，σ[w/(m2·k4)]为斯特藩-玻尔兹曼常数，ts(k)为物体表面温度，α( 无量纲 )为吸收率，G(w/m2) 为物体受到的辐射。2 散热技术（1）机箱自然冷却技术。机箱自然冷却主要通过表面辐射散热和空气自然对流换热等形式，通常可增大机箱散热面积或者机箱做开孔设计等措施来加强机箱散热效果。（2）强制对流冷却技术。通过加装散热风扇、空调等设备对电子元器件进行强制对流散热，对强制对流冷却进行了模型分析，如下图所示：图1为速度分析，图2为温度分析情况。图1 速度分析图2 温度分析情况（3）液态金属散热技术。金属热导率一般远高于非金属材料，散热技术主要是利用了低熔点的金属或其合金等来构成一种冷却介质，主要利用这种介质的低熔点、高沸点、高比热容、大热导率并且该介质具有一定的流动性等特性来现实电子芯片散热的作用。（4）纳米流体散热技术。作为一种新型高传热性能、高效率的能量输运工质纳米流体如今迅速发展，该纳米流体可有效提高基液的传热性能，对热系统的低阻、紧凑、高效等性能指标的提高具有重要影响，能满足热系统高负荷的传热冷却要求，满足一些特殊条件下的强化传热要求，在强化传热领域具有十分广阔的应用前景和潜在的重大经济价值，纳米流体散热技术被称之为未来冷却散热技术。3 结束语通过目前电子设备在各个领域的广泛应用、发展趋势、传热机理和散热技术分析，对电子设备传热机理和散热技术有了一个新的认识，对以后在生产实践中电子设备设计、制造、生产、管理、服务等方面具有一定的指导意义。参考文献[1]OZMAT technologies and the thermal performance of MCM[C].Conference on Thermal Phenomena in Electronic Systems,I-therm Ⅲ,IEEE,1992:53．[2]邓道杰,陈奎.基于Flo THERM的抗恶劣环境计算机热仿真[J].电脑知识与技术,2016,12(7):229-231.[3]程尚模.传热学[M].北京:高等教育出版社,1990:61.

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