摘要：电子设备的结构是否合理，可以通过热分析技术对相关设备在设计阶段的温度分布进行研究，从而找出其结构设计中可优化部分，为产品投入生产使用后的可靠性奠定良好的基础。因此，阐述热分析软件的使用方式及功能，并分析相关技术的准确性，证明其对电子设备的优化设计提供了有效参数。
关键词：热仿真;电子设备;结构设计优化
所有的电子设备在使用过程中都会发热，而引发电子设备故障的一个重要原因是其冷却系统设计不合理，导致其出现热失效。以往的研究发现，所处环境温度每提升10℃，电子设备的故障率就会上升近一倍。因此，针对电子设备使用过程中的温度控制设计尤为重要。随着现代生产需求对生产效率的不断提升，传统的方法已逐渐被淘汰。为解决电子设备散热装置设计的合理性检测问题，通过构建有效的热模型，采用热分析软件进行设备热分布的模拟测试，及时发现设计中的问题，已成为目前普遍采用的有效方法，对于快速优化电子设备的设计具有重要意义。
1计算机辅助热分析的数值法
经过长时间的技术探索和实践积累，结合现代电子计算机热分析软件的应用，针对电子设备热分析的方法主要有有限差分法、有限元法和有限体积法。
1.1有限差分法
有限差分法是基于能量守恒定律对热传导问题进行计算的方程，特点是用差分代替微分。该方程通过定义每个元素来保持能量平衡，在电子设备的热分析技术中使用广泛。它的计算过程为将集中的热分布转换为局部热分布，并对各区域的热分布集中在节点上，通过在各个节点建立基于热平衡原理的方程式，展开对各节点适当温度的联合求解。当整个区域分布的节点数量达到要求时，其中的部分出现不连续温度分布的区域将被适用于该区域的连续温度分布代替。首先，扫描整个区域的各个分散节点的热量，并将这些分散的热量集中，没有热量的节点直接记为零热量；其次，基于热平衡原理将热阻与各个节点连接，并设置计算方程式；最后，测量每个节点的温度，并将获得的相关数据代入方程求解。
1.2有限元法
基于变分原理开展求解的有限元法遵循区域的不连续性，在设计主程序时，明确表示每个区域的插值函数和配置函数，同时对每个节点极端温度值代入形成代数方法进行求解。该计算方法的功能较为强大，可以更好地解决电子设备的散热问题。相关方法的执行分三步完成：第一步，扫描整个区域，用表达式表示每个块列的功能；第二步，获得每个块列的插值函数和函数的极点，并代入代数方程；第三步，基于以上两点对方程展开求解，并得到每个点的温度值。
1.3有限体积法
有限体积法也称为控制体积法，是一种基于守恒方程的积分形式，并结合了有限元和有限差分方法两者的优点形成离散方程，其中具备部分有限元方法的特征，常用于流体动力学计算。有限体积法的优势是计算灵活、计算速度快，因为满足当前对产品设计效率的要求，所以多数热分析程序都采用有限体积法。
2电子设备热分析的理论基础
电子设备的传热方式主要有传导效应、对流换热和辐射传热三种。因此，针对其热分析的理论研究也是基于这三种传热方式开展的。
2.1传导效应
传导效应的本质是热传导，即物质本身或当物质与物质接触时，能量传递的最基本形式。该传热方式的表达可基于傅里叶定律。如果单个空间坐标决定了物体的温度分布，同时时间的变化不会影响到温度的分布，那么热量的传递则是在温度下降的过程中进行的。
2.2对流换热
对流换热是发生于存在温差的固体表面之间的热交换，也是电子设备散热应用最广的换热方式。对流换热根据流动起因的区别，又可细分为强制对流换热和自然对流换热。
2.3辐射传热
辐射传热是以电磁能在发射物体和接收物体之间传递热而实现的热量交换方式。辐射传热可以在两个物体之间也可以在多个物体之间进行。
3软件热仿真建模
随着电子产品设计项目的不断增多，相关的热分析软件开发取得了一定成绩。目前，比较常用的Icepak和Flothrem软件可以针对电子设备的设计进行不同流体条件下不同物理模型的构建，有效了解一些电子设备散热设计中的典型问题。
3.1物理建模
以具有热源的手机设计为例展开研究。研究假设一部长170mm、宽70mm的表面发射率0.8的手机，在环境温度25℃的环境中表面温度均匀，其在辐射热传导中的热功耗在总功耗的50%以上。为保证产品安全质量，要求其在使用过程中表面最大允许接触温度必须控制在41℃以内，因此需要做手机设计参数进行建模检测。模型创建过程中，需明确环境温度25℃，模型的外部尺寸为长170mm和宽70mm，同时需要测试每个组件的耗电量情况，以及根据手机制作的不同材料和不同组件进行导热系数定义。
3.2网格划分
将需要求解的区域划分网格。在执行系统网格预设和增量细分设置时，为提高网格在需要温度梯度大的位置上进行设置的精度，可以通过添加局部网格和网格位置使用网格约束。可使用GridSummary等方法排除网格设置过程中出现的高纵横比和高失真的栅格单元，以保证网格创建的质量。
3.3求解步骤与结果
在IGBT块的正向、反向、侧面等位置安装多个温度传感器，并检测手机内部各种导热材料。由于模型创建的目的是将手机接触温度控制在41℃以下，假设每个模拟能量消耗是一致的，但具有高导热性材料的能量消耗是唯一不同的。
4热仿真实例
手机的内部空间小，同时受灰尘、水滴、静电等因素的影响，内部密封性能有一定的变化，需要进行测量，还要对手机采取改变导热率、增加散热器面积和物体的颜色深度等热保护措施。手机的散热应将其内部局部热量尽可有均匀分布于整个机身，并最终将热量发散到手机外部。而手机的热点集中区域主要为相机和CPU部件，可在手机中增加导热系数高的材料使用率，如石墨导热片等。通过仿真模拟不增加石墨导热片和增加石墨导热片的手机设计方面的散热效果并进行对比，结果如表1所示。根据实险测量结果，得到模拟热分析表，软件模拟对比结果显示，加入石墨导热片后，手机的散热功能明显提升，最高温度有效下降，机身的整体温度呈现为均匀分布，可见增加石墨导热片的手机结构设计对于其机身散热有利，可以有效优化手机的散热设计。
5结语
本文介绍电子设备结构设计中热仿真常用计算方法有限差分法、有限元法、有限体积法的计算原理，就电子设备的传导效应、对流换热、辐射传热3种传热方式，对热分析软件的热仿真建模提出了物理建模、网格划分以及求解步骤与结果的操作分析，并利用实例分析对热分析软件的热仿真模型的有效性进行阐述，证明了热仿真在电子设备结构设计中能够有效缩短设计开发时间，减少成本，提高电子设备的设计水平。
参考文献
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作者:魏强 单位:海华电子企业(中国)有限公司
