方便快捷是人類的本質需求。但是對于你想盡快得到的，卻不總是那么容易實現。為實現人類即時滿足的愿望，涌現出一批在線商店和咖啡、快餐連鎖店之類的便利店，這極大改變了我們的學習、工作和娛樂方式。我們無需只到圖書館進行閱讀，也無需只依靠閱讀報紙和觀看晚間新聞來獲知世界大事。瀏覽新聞，完成緊急的工作報告，過"憤怒的小鳥"的下一關，獲取下一班火車的時間等所有這些事情都可通過一件小巧的設備——平板電腦來實現。    消費者通常選擇購買平板電腦來代替手提電腦，這導致了平板電腦市場的擴大。制造商基于價格、外形和尺寸方面的考慮，設計出的平板電腦更為輕薄、時尚和小巧。   下一代手持設備在滿足嚴格的工業產品設計要求的基礎上，需解決兩方面的熱設計問題，一是產品的表面觸摸溫度能使消費者感覺舒服，二是確定產品內部關鍵元器件的最高溫度范圍。這篇文章討論的就是平板電腦在設計中如何滿足這些方面的要求。    平板電腦的熱模型是用FloTHERM XT創建的，以了解平板電腦在各種操作條件下的最大允許功耗。其熱模型也用來進行參數研究，以尋求內部元器件在平板電腦內的最佳散熱路徑。 最大功耗    以往在手提電腦和臺式電腦上運行的應用程序，現在也能夠在手持設備上運行了。手持設備外形較小，且需要采用被動式散熱，在此條件下提供良好的性能將面臨更大的挑戰。針對手持設備的散熱挑戰，一些專家如Brown et al, Lee et al, Mongia et al, Huh et al和 Gurrum et al已進行了專門的研究。    圖1顯示了此項研究中計算出的，自然對流和輻射形成的最大可能的功耗。研究還計算了海平面條件下，環境溫度為25°C，且表面溫度不超過41°C的觸摸溫度時，所能散發的最大總功耗。其中，由Berhe計算出的鋁封裝的最大觸摸溫度為41°C。    當把平板電腦垂直放置在半空中時，其各表面產生熱傳導和熱輻射，此時的理論最大散熱總功耗是13.9瓦（如圖2所示）。當把其水平放置時，最大散熱功耗下降至13.1瓦。當把其放置在水平隔熱的表面上時，熱傳遞只發生在其兩側面和前表面，此時的最大散熱功耗下降到7.9瓦，如圖3所示。這種狀況發生在平板電腦背部的熱傳遞被阻礙，如當用戶把平板電腦放置在毛毯或枕頭上時。這些數值針界定了平板電腦在靜止的空氣中所能散發的最大熱量。

為了計算總功耗，須作出以下假設：長240mm寬180mm的典型平板電腦，處在表面溫度均勻的理想狀態下。在表面發射率為0.8的保守假設下，當環境溫度為25°C時，輻射熱傳導產生的熱功耗占據總功耗的一半以上。     為達到41°C的觸摸溫度，參數需認真設計。應將平板電腦設計成盡可能等溫的，以使其到周圍環境的散熱最大化。如此，平板電腦在不超過最大允許的觸摸溫度的情況下，表面溫度盡可能高于周圍環境溫度以進行最大程度的換熱。當把平板電腦放置在毯子上，其背部散熱被抑制，散熱總功耗會急劇下降。 圖1 數值模型的值      為分析不同熱管理技術的影響，運用FloTHERM建立了詳細的CFD熱模型。針對平板電腦內主要處理器的實際熱特性數據，可使用T3Ster精確測量，以確定處理器IC及PCB的熱阻，獲取處理器頂部及底部的熱流量。使用T3Ster產生的處理器的熱模型可直接放到FloTHERM中的平板電腦模型內。平板電腦內部的詳細熱模型結果顯 示在如圖4中。通過FloTHERM XT對元器件的自適應網格劃分，得知其表面的對流熱傳導和輻射熱傳導信息。 熱點溫度下降     設計的目的是使觸摸溫度保持在41°C或以下，因此確定散熱器的高傳導率的影響尤為重要。針對平板電腦的背部外殼所采用的不同熱傳導率的材料， 已進行了一些參數研究。結果顯示在圖5中，圖6是對其進行的圖表總結。此項研究假定每次仿真的功耗相同，唯一變化的是外殼的熱傳導率參數。作為參考，大多數塑料的熱傳導率是在0.2w/mk的范圍內，而鋁的熱傳導率達到了200w/mk，這表明鋁的熱傳導率是塑料的1000倍。               圖2 圖3

處理器熱模型的推導     當建立平板電腦的熱模型時，處理器的熱特性數據并不十分準確。另外，熱界面材料供應商提供的數據表并不能準確反應界面材料的熱阻以及處理器芯片和散熱器間材料間接觸。     為克服這一點并得到準確的處理器熱模型，可使用T3Ster測出從處理器IC芯片到其蓋子或散熱器及PCB的熱阻。利用T3Ster可對半導體封裝設備的熱阻路徑作出動態熱分析。     晶片的瞬態溫度響應和其功率輸入階躍響應的函數關系被記錄下來。由瞬態溫度響應得出的結構函數，可反映出散熱路徑上材料的熱阻信息。如圖7所示，即為由T3Ster得出的處理器的結構函數，圖中的結殼熱阻是0.23K/W.     將處理器封裝的熱模型放到CFD仿真模型 圖4

要使熱點溫度下降，可在平板電腦外殼內安置高傳導率的散熱器，或對其外殼使用高傳導率的材料。值得注意的是，平板電腦外殼的熱傳導率影響其表面觸摸溫度，當熱傳導率下降時，表面觸摸溫度會上升。     例如，如果平板電腦的外殼是用傳導率為0.2w/mk的塑料制成的，由于塑料的低傳導率會導致外殼與皮膚間較少熱量的傳遞，那么用戶感知的外殼溫度會比用鋁制成的外殼溫度要低，感覺會更涼爽些。雖然塑料制成的外殼比較厚，但由于外殼面積較大，因此相比鋁制外殼，其傳熱并不會顯著下降。這個結論的前提是塑料外殼內使用的是高傳導率的鋁板或石墨板。 圖5

中，并且當散熱路徑的其他條件如散熱器的材質和尺寸、散熱器和外殼背部間的氣隙厚度、外殼材質等改變時，運用數值實驗得出處理器的結點溫度變化。 總結    平板電腦的尺寸影響其內部元器件的功耗，元器件的功耗也將影響平板電腦內部的熱點溫度下降的程度。很少有工程師能夠意識到平板電腦外部表面的輻射散熱能力。熱輻射在平板電腦熱設計中的重要性，直至能夠精確計算出后才被意 圖6

識到。如果其表面發射率高，那么向周圍環境的熱傳導將有超過一半來自于輻射。降低產品的熱點溫度，擴散其熱量，以增進熱傳導；通過對流和熱輻射最大限度地促進產品表面的熱傳導。    總之，為平板電腦正確建立熱模型，可以快速測試設計效果和材料變化引起的效果，從而避免測試樣機導致的高成本和進 度延誤。熱設計工程師可通過構建熱模型進行多方面檢測，而不僅限于使用樣機檢測。如此將設計出更精致的平板電腦，使其更能滿足用戶需求，也更具競爭優勢。高質量的熱模型將加快產品投放，降低研發成本。由于能夠使用仿真軟件進行準確仿真，從而無需制造樣機進行檢測，只需對最終產品樣本進行檢測即可。 圖8

圖7 圖9

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