电子设备热分析、热设计及热测试技术综述及最新进展
吕永超。杨双根
(中国电子科技集团公司第38研究所， 安徽合肥230031)
摘要：随着电子技术的迅猛发展，电子设备过热问题愈显突出。文中阐述了电子设备冷却设计的常用手段及其最新的进展情况。
关键词：电子设备冷却；电子设备热技术；热分析；热设计；热测试
中图分类号：TK124；TN06 文献标识码：B 文章编号：1008-5300(2007)01—0005—06
A Review of Thermal Analysis，Th erm al Design and Th erm al Test
Technology and Th eir Recent Development
LU Yong·chao，YANG Shuang·gen
(The 38th Research Institute of CETC， Hefei 230031，China)
Abstract：With the rapid development of electronic technology，the overheat problem is becoming mole and
more prominent．This paper presents useful ways of electronic equipments cooling design and their recent development．
Key words：electronic equipments co ling；electronic equipments thermal technique；thermal analysis；thermal design ；thermal test
0 引 言
伴随着计算机、通讯、军用、航空航天及民用市场等领域的需求，电子技术得到迅猛地发展。看到这样一个事实：① 电子器件的封装密度不断地提高，其热流密度不断地增大；② 电子产品向微型化方向不断发展，功率更大而外形尺寸日益缩小；③ 电子产品已经渗透到各个领域，其应用环境不断扩大，所使用的热环境差异很大。电子产品的这些发展趋势使得电子设备过热的问题越来越突出。电子设备的过热是电子产品失效的主要原因之一，严重地限制了电子产品性能及可靠性的提高，也降低了设备的工作寿命。研究资料表明：半导体元件的温度升高1O℃ ，可靠性降低50％。因此电子设备内的温升必须予以控制，而运用良好的散热措施来有效地解决这个问题则是关键。伴随着电子技术的发展，解决电子设备过热问题的方法也在不断地完善。
解决电子设备过热问题，提高产品可靠性的相关技术称为电子设备热技术。它主要包括：热分析、热设计及热测试三大技术，是发现解决电子设备热缺陷不可缺少的技术手段。这三大技术的集成以及在电子产品开发中的并行应用，可以极大地缩短产品开发周期，提高产品开发设计的经济性，保证电子产品的综合性能。
目前，国外在这方面的技术较为成熟，取得了许多应用和理论上的成果。而国内由于电子工业的发展落后于国外，因此在电子设备热技术方面的研究也相应滞后，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7O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．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／Z27—92(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，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。
