散热基础知识简介

随着人类生活水平的提高，越来越多的电子产品开始进入人类生活，如手机、LED屏、迷你PAD等，由于互联网营销模式的介入，人类对手机类电子产品的依赖程度越来越高，除了电子购物，长时间用手机聊天、看影视剧、玩游戏，往往会导致手机迅速发热，而手机类电子产品发热温升超过10度，性能往往会下降50%以上，并且手机类电子产品发热严重会导致手机重启或者爆炸等意外事故的发生。如何更好提升手机的散热性能并且预防上述意外事故的发生，需要借助CFD手段在手机类电子产品的研发阶段就“把好关”。

那么，CFD软件如何在手机类电子产品中产生作用？

一、电子热设计基础理论

1、热传递的方式

热量传递的基本规律是热量从高温区域向低温区域传递，热量的传递方式主要包括三种：传导、对流、辐射。

• 传导

传导是由于动能从一个分子转移到另一个分子而引起的热传递。传导可以在固体、液体或气体中发生，它是在不透明固体中发生传热的唯一形式。对于电子设备，传导是一种非常重要的传热方式。

利用传导进行散热的方法有：增大接触面积，选择导热系数大的材料，缩短热流通路，提高接触面的表面质量，在接触面填导热脂或加导热垫，接触压力均匀等。

• 对流

对流是固体表面和流体表面间传热的主要方式。对流分为自由对流和强迫对流，是电子设备普遍采用的一种散热方式——所谓的自然对流是因为冷、热流体的密度差引起的流动，而强迫风冷是由外力迫使流体进行流动，更多是因为压力差而引起的流动。产品设计中提到的风冷散热和水冷散热都属于对流散热方式。

影响对了换热的因素很多，主要包含：流态（层流/湍流）、流体本身的物理性质、换热面的因素（大小、粗糙程度、放置方向）等。

• 辐射

辐射是在真空中进行传热的唯一方式，它是量子从热体（辐射体）到冷体（吸收体）的转移。

提高辐射散热的方法有：提高冷体的黑度，增大辐射体与冷体之间的角系数，增大辐射面积等。

2、 增强散热的方式

电子产品的设计可以通过以下几种方式增强散热：

• 增加有效散热面积：散热面积越大，热量被带走的越多
• 增加强迫风冷的风速、增大物体表面的对流换热系数
• 减小接触热阻：在芯片与散热器之间涂抹导热硅脂或者填充导热垫片，可有效减小接触面的接触热阻，这种方法在电子产品中最常见。
• 破环固体表面的层流边界层，增加紊流度。由于固体壁面的速度为0，在壁面形成流动的边界层，凹凸不规则的表面可以有效破坏壁面的层流边界，增强对流换热。
• 减小热路的热阻：因为空气的导热系数比较小，狭小空间内的空气容易形成热阻塞，因此热阻较大。如果在器件和机箱外壳间填充绝缘的导热垫片，则热阻势必降低，有利于其散热。
• 增加壳体内外表面、散热器表面等的发射率：对于一个密闭的自然对流的电子机箱，当壳体内外表面氧化处理比不氧化处理时元件的温升平均下降10%。
• 电子热设计中常用术语
• 热阻：热量在传热路径上的阻力，即表示传递1W热量所引起的温升大小
• 热沉：热量经传热路径达到的最终位置
• 热耗：器件正常运行时产生的热量，热耗小于器件输入的功耗
• 接触热阻：在实际的电子散热模拟中，由于两个壁面的接触只发生在某些点上，其余狭小空间均为空气，由于空气的导热系数较小，在此传热路径上会产生比较大的热阻
• 流阻：反映系统流过某一通道或者某一系统时进出口所产生的静压差
• 导热系数：表示物体的导热能力的物理参数，主要是指单位时间内，单位长度温度降低1度，单位面积导热传递的热量
• 对流换热系数：表示单位时间内，单位面积差为1度时流体固体之间所传递的热量

二、ANSYS在电子产品设计中应用

1、电子封装的热设计

随着电子产品向高集成、高性能和多功能方向发展，芯片的I/O 线越来越多，芯片的速度越来越快，功率也越来越大高，从而导致了一系列诸如器件温度升高，功耗密度增大等问题。利用CAE技术，可以对电子器件的性能进行预测，优化结构尺寸和工艺参数，进而提高产品质量、缩短产品开发周期、降低产品开发成本。下文是CFD仿真技术在解决电子封装研发过程中部分常见工程问题的简要介绍：

• 芯片封装内部温度分布分析
• 芯片封装内热流路径分析
• 芯片封装后JEDEC标准下各项热阻值仿真分析
• 考虑芯片封装内布线、过孔、金线、不均匀热耗对温度结果影响

芯片封装在热设计中需要考虑不同结构的芯片封装传热性能，以及为板级或系统级的热分析提供芯片封装模型。 ICEPAK软件可以根据ECAD软件信息直接生成芯片的详细结构模型，便于工程师对芯片封装的温度分布预测及热优化设计。

2、电子设备的热设计

电子设备是指由集成电路、晶体管、电子管等电子元器件组成，应用电子技术（包括）软件发挥作用的设备，如计算机/外设、工业电子设备、汽车电子设备、军用电子设备、便携式电子设备及新兴电子设备等。

在电子设备的研发过程中常涉及到散热、结构优化等多方面的工程问题。随着现代CAE仿真技术的日趋成熟，企业完全可以将这种先进的研发手段与试验和经验相结合，形成互补，从而提升研发设计能力，有效指导新产品的研发设计，节省产品开发成本，缩短开发周期，从而大幅度提高企业的市场竞争力。下文是CFD仿真技术在解决电子设备研发过程中部分常见工程问题的简要介绍：

• 电子设备的散热分析，如电脑机箱的冷却系统分析
• 电子设备的湿度分析，如机柜内部的潮湿分析
• 电子设备内部及外部的空气流场分析，如机载电子设备的内部及外部流场分析

电子设备冷却系统的优劣直接影响其在市场竞争中的成败。ANSYS专业热分析软件ICEPAK及流体动力学分析软件FLUENT可以分析优化电子设备的内部布局，改善电子设备内部的冷却系统，降低因温升带来的不利影响。

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