Icepak在電子設備熱分析中的應用

1、Icepak在電子設備熱分析中的應用摘要:本文介紹了利用Icepak軟件進行電子設備散熱分析的方法,并對一個具體的采用強迫風冷的電子設備進行了散熱分析及溫度場模擬,為電子設備的大功率器件及散熱器的選型提供了依據(jù)。關(guān)鍵詞:Icepak熱分析強迫風冷溫度場模擬電子設備的工作環(huán)境溫度直接影響到它的可靠性，實際上幾乎所有的電子失效機理都是由于封裝的溫升過高引起的，電子封裝的失效率與熱成正比，而且與封裝的最高溫度成幾何增長1。因此，對于電子設備而言,對其進行散熱分析顯得尤為重要。Icepak是熱管理和電子設備散熱分析的專業(yè)軟件，在產(chǎn)品設計初期可用其進行詳細的散熱分析以驗證設計方案是否切實可行，便于問題分

2、析解決及重新設計，并為電子設備中的大功率器件選型、散熱方式及散熱器件的選擇提供了可靠依據(jù)。1電子設備熱分析的步驟及方法根據(jù)物體溫度與時間的關(guān)系，傳熱過程可分為穩(wěn)態(tài)過程（又稱定常過程）和非穩(wěn)態(tài)過程（又稱非定常過程）。對穩(wěn)態(tài)過程而言，其溫升定義為：ttO二RtP（1）其中Rt為熱阻；P為功率2。電子設備的熱分析關(guān)鍵是計算出內(nèi)部各處的溫升，即計算出內(nèi)部的溫度場。電子設備通常采用帶風冷或水冷的散熱器，散熱器基板與空氣或冷卻水之間存在著復雜的湍流換熱過程，其本質(zhì)上是一個涉及到流體流動、流固熱交換以及固體熱傳導等方面問題的流體力學問題，因此要比較準確的模擬出電子設備的溫度場，可以采用計算流體力學(Comp

3、utingFluidDynamics)的方法進行求解3,5。Icepak中關(guān)于電子設備熱分析的步驟如下。(1)利用Icepak所提供的基于對象的模型模塊對部件級、板級或系統(tǒng)級的問題進行建模；(2)定義整個系統(tǒng)的熱計算區(qū)域；(3)定義各種材質(zhì)的物理特性；(4)定義邊界條件，如熱流密度、導熱率、傳熱系數(shù)、初始溫度等計算時所必須的參數(shù);(5)檢查模型及物體定義;(6)利用Icepakt對計算區(qū)域進行網(wǎng)格劃分，并保存生成的網(wǎng)格文件：檢查氣流,在求解之前通過估算ReynoIds和Peclet參數(shù)以確定用層流模式還是湍流模式;(8)通過Icepak求解器讀取保存的網(wǎng)格文件，設定監(jiān)測點,設定迭代次數(shù)，開始計

4、算;(9)查看計算結(jié)果，利用Icepak的后處理功能來顯示監(jiān)測點的各種參數(shù)曲線(若均收斂，說明網(wǎng)格優(yōu)良，計算結(jié)果可信)、速度向量切面、溫度云圖以及速度、溫度、壓力的最大值等。2電子設備熱分析實例以某電子設備為例，散熱器基板上主要分布有5個熱源,3個IGBT模塊,功率為100W,2個二極管,功率為30W;散熱器材質(zhì)為6063合金,中間挖空放置6個直徑為40mm的電容;散熱器底部放置3個軸流風扇，對設備進行強迫風冷。其數(shù)學模型包括流場與溫度場相關(guān)的控制方程，具體為連續(xù)方程、N-S方程及能量守恒方程，具體方程式及參數(shù)含義見參考文獻。根據(jù)設計目標，要求環(huán)境溫度為20C時，散熱器基板最高溫度不能超過65

5、C。用Icepak對其進行熱分析和溫度場模擬，以確定所選用的IGBT大功率器件、散熱器及設計方案是否滿足設計目標。首先對設備進行建模，定義環(huán)境溫度、散熱器材質(zhì)的導熱率、風扇的壓力曲線等參數(shù)，并劃分計算網(wǎng)格，網(wǎng)格如圖1所示。檢查氣流,Icepak通過自動估算Reynolds和Peclet參數(shù)建議設定為湍流模型。設定一個監(jiān)測點，讀入計算網(wǎng)格文件，并設定迭代次數(shù)為120次，開始計算。當?shù)_到120次后，可以看到，監(jiān)測點的氣流的壓力參數(shù)、溫度參數(shù)以及流速參數(shù)均已收斂，傳熱過程可以認為達到穩(wěn)態(tài)。設備的溫度分布仿真圖見圖2,從溫度分布圖中可以看到，設備中大功率器件熱源的最高溫度為622C，滿足設計目標。下面圖3中顯示了空氣的速度矢量分布，其可檢驗風道設計的合理性,以便調(diào)整元件布局從而優(yōu)化風道設計。3結(jié)語利用Icepak提供的強大的傳熱計算功能，采用三維仿真計算方法,可以方便的模擬出不同幾何形狀、不同散熱介質(zhì)、不同散熱條件下的電子設備的內(nèi)部溫度場，從而可以快速的驗證設計方案是否可行，并判斷所選的大功率器件、散熱器及散熱方式是否能滿足