电子设备热分析、热设计及热测试技术综述及最新进展 - 图文-

1、 万方数据6电子机械工程第23卷l譬1薹l 越销煺赣窨t 构/I最大I、/,l最小l一_一p一-图2芯片的表面热流密度发展趋势2图3微波晶体管的发展趋势滞后,水平较低,尚处于初期阶段,但这几年也逐渐认识到了该研究对航空航天及军事方面的重要性及迫切性。美国在70年代就颁发了可靠性热设计手册;日本电器公司1985年推出的巨型计算机已采用水冷技术;而且国外很多公司都在致力于各种电子设备冷却方法的计算机辅助热分析软件的开发,力求快速准确地计算出电子设备的温度分布。Jonathon Weiss等人通过对电子元件封装的热分析,提出电子系统可靠性的关键是保持IC的结点温度低于允许工作温度点。美国奥克兰大学B

2、.cahlon等对对流冷却及对电子元件的优化布局进行了研究,建立了电子设备强迫对流冷却的数学模型。我国国防科工委也于1992年7月发布了国家军用标准GJB/z2792电子设备可靠性热设计手册,提供了军用电子设备热设计,热可靠性分析与鉴别的方法,提供了热设计的基本理论和计算方法,是进行热设计的基本依据。在机载设备的设计过程中,热分析、热设计及热测试更是电子产品开发设计必不可少的环节,而同样对于机载设备电子吊舱的环境控制系统进行热分析、热设计及热测试更是重中之重。北京航空航天大学余建祖等对国内外最具代表性和先进性的三种电子吊舱环境控制进行了分析和评述,这是电子设备环境级温度控制的一个典型代表。对电

3、子设备系统来说,要保证芯片、印制板及整个系统均能可靠地工作。按电子设备结构层次(芯片级、印制板级、系统级的不同,相应地也提出电子设备热设计、热分析和热测试的三个层次,即:芯片级的热设计、热分析和热测试,印制板级的热设计、热分析、热测试,环境级的热设计、热分析和热测试。芯片级的热设计、热分析和热测试主要研究芯片内部结构及其封装形式对传热的影响,计算及分析芯片的温度分布,对材料结构进行热设计,降低热阻增加传热途径,提高传热效果,达到降低温度的目的。电路板级的热设计、热分析和热测试主要研究电路板的结构元器件布局对元件温度的影响以及电子设备电路板的温度分布,计算出电子元器件的结点温度,进行可靠性预计,

4、其热设计则是对电路板结构及其元器件进行合理安排,在电路板及其所在箱体内采用温度控制措施,达到降温的目的。环境级的热设计、热分析和热测试主要研究电子设备所处的环境温度的影响,环境温度是电路板级热分析的重要边界条件,其热设计是采取必要的控制温度措施使电子设备在适宜的环境温度下工作。鉴于热设计、热分析和热测试技术对电子设备的芯片、印制板及整个系统都很关键,下面就对电子设备热设计、热分析和热测试的关键性技术作一分析。1热分析主要技术电子设备热分析,又称为热模拟,是利用数学的手段在电子设备的概念设计阶段获得温度分布的方法,它可以使电子设备设计人员和可靠性设计人员在设计阶段就能发现产品的热缺陷,从而改变其

5、设计。热分析方法主要有两类:分析方法和数值方法。分析法苦于对高阶偏微分方程缺乏有效的求解方法,只能求解一些简单的问题,但它对定性地分析影响元器件温度的因素很有帮助。随着现代计算机技术的飞速发展,用数值方法求解传热学问题所占的比重越来越大。数值方法主要有:有限差分法、有限容积法、有限元素法及有限分析法等。有限差分法是求解偏微分数值解的最古老的方法。对简单的几何形状中的流动与传热问题也是一种最容易实施的方法。其不足的是离散方程的守恒持性难以保证,而最严重的缺点则是对不规则区域的适用性差。用有限容积法导出的离散方程可以保证具有守恒性,而且物理意义明确,对区域形状的适应性也比有限差分法要好,是目前应用

6、最普遍的一种数值方法,而且随着非结构化网格的研究,其对不规则几何区域的适应性方面存在不足的现状也正在改进,有限容积法应 用的范围将更为广泛。万方数据 万方数据8电子机械工程第23卷技术的重大进展,它能使风冷散热能力超10W/cm2,重点为冷却单芯片和多芯片组件而研制。还有射流冷却技术满足热流密度达到100w/cm2芯片的冷却要求,成为微电子冷却的一种先进技术。射流冷却时流体沿芯片法向冲击传热表面,冲击处的速度和温度边界层很薄,因而具有很高的传热率。(3中、高功率密度的电子设备常用强迫气体或强迫液体冷却方法来控制热点温度,其中最常用的冷却装置就是冷板。它属于一种单相流间接冷却技术,可靠性较高,结

7、构简单紧凑,表面传热系数高,温度梯度较小,热分布均匀,可带走较大的集中热负荷。目前,气冷式冷板的功率密度可达1.55W/cm2,液冷式冷板的功率密度达4.65w/em2。(4液体冷却因为高效紧凑,在大热流度芯片冷却上得到了广泛的应用,从而成为各国研究的热点。液体冷却可以是单相的,也可以是两相的,气液相变的冷却由于利用了冷却剂的相变潜热,所以冷却效果更好。主要包括直接冷却或间接冷却;气液相变冷却;液体射流冲击冷却;滴液及喷淋冷却等。(5相变冷却技术是利用相变材料的相变过程作为热控制手段来达到降温的目的,其换热效率高,温度分布均匀,无局部过热点,可靠性好。基本形式有两种:一种将电子元器件直接浸没在

8、相变物质之中,由发热元件耗散的热量加热相变材料,使之蒸发沸腾而带走热量。另一种是将相变材料置于受控电子设备与外界环境之间,一旦电子元件所耗散的热量使材料的温度升至它的熔点时,相变材料开始融化,并吸收热量,将元件的温度控制在某一温度范围之内。随着对相变冷却过程的深入研究,其冷却效果已经取得了较大的发展。如蒸发冷却的功率密度由过去的150W/cm2发展到450W/cm2。目前,一种叫超蒸发冷却系统的装置,已到达了2000W/cm2。同时,对汽液两相流冷却系统在电子设备大功率期问冷却系统的应用,也取得了相当好的成果。(6热电制冷是建立在帕尔贴效应基础上的一种电制冷方法。它的优点是无噪声和震动,体积小

9、,结构紧凑,操作维护方便,不需要制冷剂,制冷量和制冷速度可通过改变电流大小来调节。它在恒温和功率密度大的系统中得到了广泛应用,同时还可以用来冷却低温超导电子器件。克服热电制冷器冷量小和制冷系数低的不足,提高制冷器能效比及其经济性,是热电制冷设计和使用的关键。(7随着热管技术的持续发展及应用,热管散热已经成为一种很有前途的新型散热方式。典型的毛细热管在工作时,液体工质在蒸发段被热流加热蒸发,其蒸汽经过绝热段流向冷凝段。在冷凝段蒸汽被管外冷流体冷却放出潜热,凝结为液体;积聚在冷凝段吸液芯中的凝结液借助吸液芯的毛细力的作用返回到蒸发段再吸热蒸发,一直如此往复循环。热管传热能力高,均温性好,具有可变换

10、热流密度的能力,具有良好的恒稳特性,而且可以制造成体积很小,重量很轻的产品。目前研究的重点已从普通热管转移到微型热管的高效传热上,例如微型平板热管如图4所示和具有毛细结构翅片的微型热管等。图4小型平板热管Midshipman Britt,W.Boughey在1999年的AD 报告中详细介绍了针对光电发射机散热所研制的平板热管。在文章中介绍针对发射机设计了平板热管,采用了水作为工质,壳体材料是蒙奈尔铜镍合金,根据发射机的负荷和其他要求计算热管尺寸和所需工质量。进行理论设计计算推导,并对热管各个传热计算的校核,加工制造出设计好的热管。随后用实验进行了试验检测,验证对称加热条件和非对称加热条件下热管

11、的一系列的传热性能:采用了热电偶和红外摄像仪测定平板热管冷凝区域温度;检测在不均匀加热、不同加热功率、不同流量下和不同倾角情况下的平板热管的热力性能和参数。最后分析相关的参数,进行修正和更改,设计出满足工作温度约在100。C的发射机稳定运行的平板热管。我国自70年代开始研究,航天部研究所、船舶重工、南京化工大学、重庆大学、浙江大学等多家科研单位对热管在航天、化工、工业余热、电子器件散热等领域的应用展开了研究。(8微通道技术是在定向硅片上或者在基板上利用各向异性蚀刻等技术制造出微尺度通道,液体在流过微通道时通过蒸发或者直接将热量带走。它是利用微尺度换热的特殊性来达到高效冷却的目的,是各国研究的热

12、点。研究表明,液体在微通道内被加热会迅速发展为核态沸腾,此时液体处于一个高度不平衡状态,具有很大的换热能力,通道壁面过热度也比常规尺 寸下的情况要小的多。而且实验证明冷却液体即使是万方数据第1期吕永超,等:电子设备热分析、热设计及热测试技术综述及最新进展9单相流经微通道,其冷却效果也比常规尺寸下利用液体核态沸腾来冷却时要好的多。微通道散热器的概念最早由TuckeHnan和Pease 于1981年初提出,并从理论上证明了水冷却微通道的散热能力可达1000W/cm2,它常被用作冷板,其结构如图5所示,用于两种流体进行热交换的微尺度换热器首先由Swift、Mi西iori和Wheadey于1985年研

13、制出来,其结构如图6所示。图5微槽道散热器结构图6微尺度换热器近十几年来,美国斯坦福大学、加州大学各分校、马里兰大学等分别开展相关课题,并与Intel、Hp等公司合作。而美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室面向军事需求也较早开始了微通道散热技术研究。但迄今为止,该领域尚无系统的机理与理论研究,许多问题值得深入研究。美国已研制出冷却液通道宽25斗m,深200斗m,导热片厚15斗m的微型换热器,用于卫星的温度控制系统。该换热器设计承受的局部热量大于1kW/cm2,固定面与工作液体之间的温差为1020。自80年代起,我国的一些大学和科研单位开始了微细尺度下的探索性研究工作,尤其是在热流体力学基础、微尺度传热

14、传质、微型热管等多方面的理论和实验研究,也取得了一些具有国际先进水平的成果。(9电子设备吊舱环控系统的核心是制冷系统。由于不能直接采用飞机发动机高压引气作为动力源,又受到载机电源紧张和吊舱本身要求体积小重量轻等条件的限制,因此如何解决吊舱设备的环境控制问题,已成为航空低温制冷领域亟待加强研究的一个新课题。蒸气循环冷却系统,逆升压式冲压空气冷却系统,以及逆升压回冷式冲压空气冷却系统是目前的主流环控系统。(10cPL技术是20世纪80年代中期之后国际航天热物理学领域中最重要的研究课题。如图7、图8所示,CPL主要由蒸发器冷凝器以及它们间的汽液连通管道和贮液器等组成。当外部热负荷加于蒸发器时,热量通

15、过管壁传人毛细芯内的工作介质,工作介质受热蒸发,蒸汽通过蒸汽通道流向冷凝器。蒸汽在冷凝器凝结并放出汽化潜热,热量通过管壁传递到外部热沉(如辐射器排散。在冷凝器凝结下来的工作液体管道流回蒸发器。在此处,液体继续吸热蒸发流动,循环工作,连续有效地把热量传输到热沉。它具有良好的传热性能,无运动部件,工作安全可靠,而且系统的运动无需消耗动力。图7CPL环路原理图图8与芯片集成于一体的micm-CPL模型(11电路板上元器件的优化布局是目前印制板级热设计研究得较多的一种方法,它是降低印制板电子设备温度最经济的方法。美国奥克兰大学Bi cahlon等人采用组合优化理论模拟退火算法,搜寻电路板元件的最优布局

16、,使得系统温度的目标函数最优。例如,电路元器件结点的最高温度最低。但是, 目前缺乏计算机辅助热设计工具,因此,电气设计和万方数据 电子机械工程 第卷 可靠性设计人员进行热设计困难很大。 结束语 热分析、热设计及热测试技术是提高电子产品可 热测量主要技术 对电子设备进行热测量，主要有接触式和非接触 靠性必不可少的方法，对电子设备应该从元件、电路 式测试两种。 接触式测温法有热电偶温度传感器测量法、集成 电路温度传感器测量法、热敏电阻传感器测量法和光 纤温度传感器测量法等。接触式测温法具有精确、可 靠和直观等特点，对封闭在腔体内的各种组件、器件 的温度测量和大空间远距离多点的温度测量大都采用 这种

17、方法。但这种方法在多点的温度测量中，传感器 安放繁琐复杂、工作量大和检测效率低。 非接触式测量法主要是红外测温法。由于被测物 板及环境三个层次进行热分析、热设计及热测试。随 着传热学、热能工程、流体力学、计算机等学科进一步 的发展以及新仪表、新材料的出现，电子设备的热分 析、热设计及热测试技术必定会取得更大的成果。目 前，国内外还没有热分析、热设计及热测试技术集成 为一体的计算机辅助系统。该系统的研制，将给电子 设备设计人员和可靠性人员提供一个良好的热分析、 热设计及热测试环境，加快产品的设计开发，提高电 子产品的可靠性。因此，电子设备热分析、热设计及 热测试一体化技术具有很大的研究潜力和价值

18、。 参考文献： 余建祖电子设备热设计及分析技术，北京：高等教 育出版社， 国防科工委军用标准化中心全国军事装备可靠性标准化 技术委员会电子设备可靠性热设计手册实施指南 体的黑率受材料本身的性质、表面状态、温度等多种条 件的影响，不易确定，因而影响其测量精度；同时， 只能测量相对测量仪表面的温度，所以其使用场合受 到测量空间的限制。但这种类型的仪器在测量中不必 与被测物体相接触，不会破坏原热场；同时，消除了 接触式测温中传感元件与被测物体之间的接触热阻， 这是该方法的优点。 总之，热测量方法是获得温度分布精度最高的方 法，用于对电子设备中的关键器件、模块或系统的温 度及其分布、流量、压降等三个热性能参数进行测量， 检验其测量值与预计值的偏离程度。可见，热测量是 热设计工作后期的