Icepak在电子设备热分析中的应用

电子设备的工作环境温度直接影响到它的可靠性, 实际上几乎所有的电子失效机理都是由于封装的温升过高引起的, 电子封装的失效率与热成正比, 而且与封装的最高温度成几何增长[1]。因此, 对于电子设备而言, 对其进行散热分析显得尤为重要。Icepak是热管理和电子设备散热分析的专业软件, 在产品设计初期可用其进行详细的散热分析以验证设计方案是否切实可行, 便于问题分析解决及重新设计, 并为电子设备中的大功率器件选型、散热方式及散热器件的选择提供了可靠依据。

1电子设备热分析的步骤及方法

根据物体温度与时间的关系, 传热过程可分为稳态过程 (又称定常过程) 和非稳态过程 (又称非定常过程) 。对稳态过程而言, 其温升定义为:

其中Rt为热阻;P为功率[2]。电子设备的热分析关键是计算出内部各处的温升, 即计算出内部的温度场。

电子设备通常采用带风冷或水冷的散热器, 散热器基板与空气或冷却水之间存在着复杂的湍流换热过程, 其本质上是一个涉及到流体流动、流固热交换以及固体热传导等方面问题的流体力学问题, 因此要比较准确的模拟出电子设备的温度场, 可以采用计算流体力学 (Computing Fluid Dynamics) 的方法进行求解[3,5]。Icepak中关于电子设备热分析的步骤如下。

(1) 利用Icepak所提供的基于对象的模型模块对部件级、板级或系统级的问题进行建模; (2) 定义整个系统的热计算区域; (3) 定义各种材质的物理特性; (4) 定义边界条件, 如热流密度、导热率、传热系数、初始温度等计算时所必须的参数; (5) 检查模型及物体定义; (6) 利用Icepakt对计算区域进行网格划分, 并保存生成的网格文件; (7) 检查气流, 在求解之前通过估算R e y n o l d s和Peclet参数以确定用层流模式还是湍流模式; (8) 通过Icepak求解器读取保存的网格文件, 设定监测点, 设定迭代次数, 开始计算; (9) 查看计算结果, 利用Icepak的后处理功能来显示监测点的各种参数曲线 (若均收敛, 说明网格优良, 计算结果可信) 、速度向量切面、温度云图以及速度、温度、压力的最大值等。

2电子设备热分析实例

以某电子设备为例, 散热器基板上主要分布有5个热源, 3个IGBT模块, 功率为100W, 2个二极管, 功率为30W;散热器材质为6063合金, 中间挖空放置6个直径为40mm的电容;散热器底部放置3个轴流风扇, 对设备进行强迫风冷。其数学模型包括流场与温度场相关的控制方程, 具体为连续方程、N-S方程及能量守恒方程, 具体方程式及参数含义见参考文献。根据设计目标, 要求环境温度为20℃时, 散热器基板最高温度不能超过65℃。用Icepak对其进行热分析和温度场模拟, 以确定所选用的IGBT大功率器件、散热器及设计方案是否满足设计目标。首先对设备进行建模, 定义环境温度、散热器材质的导热率、风扇的压力曲线等参数, 并划分计算网格, 网格如图1所示。

检查气流, Icepak通过自动估算Reynolds和Peclet参数建议设定为湍流模型。设定一个监测点, 读入计算网格文件, 并设定迭代次数为120次, 开始计算。当迭代达到120次后, 可以看到, 监测点的气流的压力参数、温度参数以及流速参数均已收敛, 传热过程可以认为达到稳态。设备的温度分布仿真图见图2, 从温度分布图中可以看到, 设备中大功率器件热源的最高温度为62.2℃, 满足设计目标。

下面图3中显示了空气的速度矢量分布, 其可检验风道设计的合理性, 以便调整元件布局从而优化风道设计。

3结语

利用Icepak提供的强大的传热计算功能, 采用三维仿真计算方法, 可以方便的模拟出不同几何形状、不同散热介质、不同散热条件下的电子设备的内部温度场, 从而可以快速的验证设计方案是否可行, 并判断所选的大功率器件、散热器及散热方式是否能满足设计目标, 便于问题分析解决及重新设计。

摘要：本文介绍了利用Icepak软件进行电子设备散热分析的方法, 并对一个具体的采用强迫风冷的电子设备进行了散热分析及温度场模拟, 为电子设备的大功率器件及散热器的选型提供了依据。

关键词：Icepak,热分析,强迫风冷,温度场模拟

参考文献

[1] 余建祖.电子设备热设计及分析技术[M].北京:高等教育出版社, 2002.

[2] 杨世铭, 陶文铨.传热学[M].北京:高等教育出版社, 1999.