热分析软件的应用剖析

Abstract: The temperature field of a product can be picked up tooptimize the design and improve the reliability by the technologyofthermal analysis in the phase of design. http://www.51lunwen.org/ Based on the characters ofthermal analysis software, some problems in their application are discussed. With a simple example, the whole process of thermal analysis is presented, and several application solutions are given. The results showthat ifthe main problems are solved correctly, a good thermal analysis will be gained to meet the demands of engineering.

Key words: thermal analysis; temperature field; electronic product reliability; electronic system; thermal model

摘要: 应用热分析技术,能在产品的设计阶段获得其温度分布,从而优化设计,提高产品可靠性.帮写论文介绍了现在流行的电子设备热分析软件,阐述了电子设备热分析软件在应用中面临的一些问题,并结合一简单实例,展示了电子设备热分析的全过程,对热分析软件应用中的部分难题提出了解决方案.结果表明:妥善处理好主要问题,则能够达到较高的热分析精度,满足工程需求.

关键词: 热分析;温度场;电子产品可靠性;电子设备;热模型

电子设备的主要失效形式是热失效[1].据统计,电子设备的失效有55%是温度超过规定的值引起的.随着温度的增加,电子设备的失效率成指数增长趋势.发热问题[2],被认为是电子工业面临的三大问题之一,已引起了人们的普遍关注.“热”问题,促进了热分析技术的迅猛发展.热分析,又称为热模拟,是利用数学的手段在电子设备的设计阶段获得温度分布的一种方法.利用热分析技术,能避免潜在的“热”问题,提高产品可靠性,缩短研制周期,降低成本.

1 现代热分析软件的特点
用于电子设备的热分析方法主要分为两类:解析法和数值分析法.其中,解析法只能求解一些简单的问题;数值法以离散数学、数值计算为基础,以计算机为工具,能对大量复杂问题进行求解.由于计算传热学的发展和计算机的广泛应用,数值法已成为最常用的研究温度分布的方法.大多数热分析软件都采用数值法.热分析软件在求解温度分布时考虑了很多因素,例如:元件的几何因素,分布状态,导热材料的传热系数及周围环境条件等,可以高效高速的应用在产品的热分析热设计中.目前,国外许多公司已经开发出了电子设备热分析软件,并大多已商品化.例如,美国Fluent公司的Icepak软件,英国Flomerics公司的Flotherm软件等.我国一些研究机构相继购买了国外热分析软件,但在应用这些软件时,由于模型建立不合理,热参数和边界条件输入不准确,造成热分析结果误差偏大,以致不能满足工程要求.

2 影响热分析精度的因素
应用热分析软件的一般步骤是:根据产品或设计要求建立热分析模型,输入所需的热参数和边界条件,划分网格,进行计算,通过后处理得到温度场分布.但在热分析中,产品的实际结构繁多复杂,毕业论文难以精确建模,且往往缺乏准确的输入参数和边界条件等等[3],导致热分析误差较大.所以,如何使热分析结果满足工程要求,已成为热分析软件应用面临的最大挑战.影响热分析软件分析精度的因素有很多,下面主要从建模、热功耗、导热、对流和热辐射这5个方面进行分析.
建模因素
建立一个合理的热分析模型,是保证热分析结果精确的前提.下面以PCB板、封装模型和新型传导冷却为例进行分析.1) PCB板建模.PCB板一般由绝缘体(比如材料FR4)和铜经过加热和加压制作而成,铜的作用是导电和导热.纯FR4的传导率为0•35W/(m•K),纯铜的传导率为388W/(m•K),故铜的含量是影响导热的重要因素.铜一般以铜线、焊盘和过孔等形式存在,其分布往往非常复杂,不可能进行详细的建模.热分析软件的普遍做法是:将PCB板作为一种具有各向异性的均一传导率的材料来处理,这个均一传导率的获取大多取决于经验,很容易产生较大的误差.建模时,PCB板具有切向和法向导热值,切向的传导率比法向大得多,是影响热分析结果的主要因素.2)封装模型建模.目前只有部分标准的器件生产厂家会提供详细的封装模型,可以用来做元件级的热分析,但在板级和系统级的分析中,采用详细模型会使网格数和计算时间急剧增加,所以一律采用简化模型.对封装模型进行简化,需要分析人员丰富的经验.模型简化的过程,可能会引入较大的误差.而大多数厂家都不会提供封装模型,给热分析带来了一定难度.3)新型传导冷却的建模.目前,已涌现了一些新型传导冷却技术,建模比较困难.比如热管[4],通常采用一根具有轴向高传导率的杆来建模,但这个轴向传导率很难精确得到.
热功耗因素
热功耗是影响热分析的重要因素.热功耗不同,则热分析结果大不相同.但热功耗很难精确获得.在设计晚期,理论上可以通过测量电流电压来计算电功耗,但实际操作起来比较困难,尤其是在复杂电路中对电流值进行测量.在设计早期,能够通过某些软件,比如Pspice或pro/E来仿真出电功耗,但电功耗是温度的函数,而目前软件对温度的考虑仍不充分.而且,并不是所有的电功耗都转化为热功耗,这涉及到工作效率的问题;同时,热功耗也是温度的函数[5].
2.3导热因素
热传导主要由材料的传导率决定.对于给定的材料,可通过材料手册查到传导率.但对于工程技术人员来讲,材料的具体成分往往很难获得,传导率很难选准确,比如塑料,其品种繁多,且各品种的传导率相差很大.而且手册中的数据都是在标准实验室中获得的,通常模拟的环境不能真实的反映工程实际.同时传导率本身还是温度的函数,即传导率随着温度的变化而变化.所以对于许多工程材料,很难获得精确的传导率,错误地使用传导率这种现象非常普遍,如,往往采用室温中的传导率来代替高温下的传导率
2.4　对流因素
对流换热是一种十分复杂的换热过程.流体的物性,换热表面的几何条件,流体物态的改变及换热面的边界条件等对对流换热都有影响.在此,仅简要地对空气阻尼系数和风扇进行分析.1)空气阻尼系数.当空气通过管道和出风口时,由于空气阻尼的作用,其风速和气压都会下降.空气阻尼系数可以进行直接测量,但它不是常数,会随着速度的变化而变化,尤其是在速度较低的时候,分析人员往往将它作为常数来处理,这会带来一定的误差.2)风扇.风扇是强迫对流中最常用的设备,建模也比较困难.以热分析软件flotherm为例,它的典型做法是,从器件库中调出风扇,然后输入特性曲线(空气体积流速-压力)即可.建模虽然快捷,但不能精确的模拟出由吹风引起的湍流和气流压降.
2.5 热辐射因素

3 热分析软件的应用举例
目前国际先进的电子设备热分析软件,能完成对元件级、板级和系统级的热分析,下面以Ice-pak为例,展示了电子设备热分析的全过程,并将热分析结果同实际测量值进行了比较.
3.1 物理模型
本实验要分析的物理模型如图1所示,主要分析的器件是TO-220塑料封装的LM317,它是一种三端可调正稳压器,帮写论文改变R1可以改变输出电压的大小,改变R2可以改变流过R2的电流.在实验中,取R1=1kΩ.
3.2 实验流程
实验流程见图4,即针对物理模型,