6 熱仿真
6.1 熱仿真目的
通過建立合適的模型進行熱分布和熱特性分析，使得產品在不損害電氣性能、并符合可靠性要求、使設備的壽命周期費用降至最低的前提下，實現熱設計的目標。通過熱仿真實現合理的熱分布，選定最佳的熱設計方案或對已定的熱設計方案做出評估。
6.2 熱仿真軟件
基于計算流體動力學CFD 的熱仿真軟件已達50 多種。比較典型的有Flotherm、Icepak、Ansys 等。其中Flotherm、Icepak 都是專門針對電子產品熱設計的專業仿真軟件，具有強大的功能和數據庫，在全球電子產品熱仿真軟件市場上占據80%以上的份額。IcePAK 是完全交互的、面向對象的一種熱分析軟件，采用有限體積法（FVM），在求解器中采用了具有多重網格功能的算法。Flotherm 可以解決電子封裝、電路板設計和系統級設計所遇到的冷卻問題，它是一個來源于計算流體動力學CFD 的分析軟件，采用結構化網格，是CFD 領域非常優秀的分析軟件。
6.3 熱仿真依據
熱仿真的主要依據是產品研制規范、系統設計方案中規定的產品工作環境特性、熱特性參數和結構形式。
6.4 熱仿真的一般步驟
6.4.1 建立模型
仿真分析模型要根據設備的熱傳遞路徑和流場的情況來合理處理某些構件，做到既反映真實的流場情況和傳熱路徑，又忽略不很重要的細節，使模型得到合理簡化，這樣，在兼顧仿真準確性的同時，又有助于縮短計算時間。另外，要根據分析的目的來建立模型，如當我們進行系統級分析時，對芯片就可以以簡單的模型來表示，但進行單板、芯片級分析，求器件結（殼）溫時，對芯片的各部分就要詳細建模。
一般來說，建模需要以下的條件：
（1） 系統環境溫度、輻射、風速、壓力；
（2） 介質類型、介質物性和熱特性；
（3） 結構幾何尺寸、幾何位置及物性；
（4） 熱耗的分布和熱屬性；
（5） 風機型號及風機特性曲線；
（6） 通風孔的分布及大小；
6.4.2 賦于屬性
模型中的每一個物體，都要賦予合適的屬性，這些屬性包括位置、大小、材料、表面狀況、導熱系數等。

6.4.3 設置求解域和相應的邊界條件
求解域是熱仿真軟件求解器計算的空間區域，它可以和建立的模型相同大小，也可以大于模型6.4.4 劃分網格
模型完成后，下一步就是劃分網格。網格劃分常犯的錯誤是：要么網格數太多，要么太少。合適的網格劃分，能保證求解時既可以很好地收斂，又不影響結果的準確性。網格劃分的一般原則是：關鍵點公差設置為1--2；每個網格的長寬比小于（等于）20；網格任意方向的大小要大于求解域X10-6；網格大小在某個方向的變化要漸進，不能太劇烈；靠近邊界的地方，網格要小。
6.4.5 求解
模型求解就是計算機對虛擬樣機模型進行數值求解的過程，求解所需要的時間長短，主要和模型的復雜程度、網格劃分有關。在求解前，要對模型進行自動檢查，一般的熱仿真軟件會給出系統存在的信息、警告和錯誤。求解過程中的主要問題是計算的收斂性，計算是否收斂與模型的建立和網格劃分有很大的關系，常常需要經過反復的修改。
6.4.6 結果分析
結果分析就是以各種圖形、表格或報告的形式，直觀地顯示模型的溫度場和流場，設計人員通過分析，判斷設計的優劣、發現設計中存在的問題并提出改進方案。
在分析過程中，可以各種可視化圖形功能和數據列表功能來觀察以下變量：溫度、壓力、流量、流速和流向、風機風壓和風量（風機工作點）、風阻。一般熱仿真軟件提供了豐富的云圖，不但可以沿X、Y、Z 三個方向生成截面，而且可以用粒子流動跡圖、等值線圖等，從不同角度和方向觀察流場和溫度場。
如果仿真結果達不到《研制規范》的熱設計指標，則可以提出改進意見并修正模型重新進行仿真，或進行實物模擬測試，直到得到一個滿意的方案為止。

7 熱測試的方法和原則
7.1 熱測試的目的
熱測試的目的是對熱設計的效果進行檢驗，對冷卻系統的適用性和有效性進行評價，除了檢查新設計的冷卻系統是否達到預定技術指標外，還要對機架、集中發熱元器件、整機系統的熱特性參數進行測量，為熱設計提供技術數據。
溫度是影響電子設備工作可靠性的重要應力。實踐表明，電子元器件的失效率隨溫度的增加呈指數型增加。因此，應通過對設備中的關鍵部位進行溫度測量，了解元器件或設備的熱應力情況，評價設備的熱特性。本文所說的熱測試主要指溫度的測量。
7.2 測試方案的制定
在進行系統熱測試前，制定完備的熱測試方案可減少測試的重復次數。一個好的測試方案，應該能使他人根據測試的結果，分析出系統熱設計方案的優劣及熱設計中存在的問題。
7.2.1 測試環境
系統的熱特性是與周圍環境密切相關的，測試時系統配置應與實際使用時散熱最惡劣的配置一致。
對強制風冷的系統，應至少測試堵轉一個風扇時系統的溫升。
測試數據的記錄，應在溫度穩定之后進行。
7.2.2 測試點的選擇
 系統的進、出風口溫度；
系統中可能存在的最高空氣溫度（一般靠近發熱量大的器件或風速小、有回流的地方）和最低空氣溫度；
 熱耗較大的分立器件、集成電路的表面溫度，應至少包括熱耗超過1W 的器件；
 熱敏感器件的溫度；
 如果系統中存在局部熱流密度集中的區域，需測試該處PCB 的溫度；
  如果系統中有較大的散熱器，考慮測量散熱器溫度最高點和最低點的溫差，溫度最高點通常位于大功率器件中心正上方，最低點位于散熱器邊緣。
7.3 傳感器的安裝
安裝熱電偶傳感器之前，首先要檢查熱電偶的結點。熱電偶的兩種材料必須在結點處緊密接觸。推薦采用熔融焊將兩種不同的材料結合在一起，不能采用釬焊等其它焊接方式，因為會在結點處混入其它金屬，降低測試的精度。
熱電偶固定一般采用導熱膠粘接，應保證結點與被測表面的物理接觸。粘接完畢后，需對熱電偶的引線進行適當的固定，避免結點松動。
7.3.1 測試器件表面溫度時傳感器的安裝位置
測試器件的表面溫度時，測量點應盡量選取靠近結的地方。

圖2 所示為常用的測溫位置，通常選擇最靠近發熱部位的表面進行測量。對于圓柱形器件，如電解電容，通常測量頂部；對于半導體器件，主要根據器件資料上所提供的熱阻值來確定測量位置，如果沒有提供任何熱阻，就按照字母順序進行。

標簽： 點擊： 評論: