電子產(chǎn)品如何設(shè)計(jì)才能更好散熱！

       在電子產(chǎn)品越來(lái)越小型化、智能化的今天，設(shè)計(jì)更安全和更緊湊的電子設(shè)備對(duì)全世界的工程師來(lái)說(shuō)都是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，確保新型電子產(chǎn)品性能的唯一方法是執(zhí)行大量的設(shè)計(jì)迭代，直到滿足所有標(biāo)準(zhǔn)。這意味著大量的物理試驗(yàn)耗時(shí)和昂貴的物理測(cè)試過(guò)程。如何更加快速更加經(jīng)濟(jì)的設(shè)計(jì)出滿意的產(chǎn)品呢？答案在于CAE仿真，通過(guò)CAE仿真技術(shù)，幾天，幾周或幾個(gè)月的物理測(cè)試將被仿真運(yùn)行的數(shù)小時(shí)甚至幾分鐘所取代。

電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)的主要挑戰(zhàn)是熱管理，因?yàn)殡娮赢a(chǎn)品產(chǎn)生的熱量集聚在外殼內(nèi)，過(guò)熱不僅會(huì)降低預(yù)期壽命，還可能損壞電子元件導(dǎo)致產(chǎn)品故障。仿真工程師采取的解決方法就是在制造產(chǎn)品前對(duì)電子設(shè)備進(jìn)行熱仿真，通過(guò)仿真分析了解到產(chǎn)品的冷卻系統(tǒng)效率如何？需要對(duì)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)實(shí)施哪些優(yōu)化？選擇更優(yōu)材料更好進(jìn)行散熱等。

提高電子產(chǎn)品散熱能力的常見(jiàn)設(shè)計(jì)有：

1、熱界面材料（TIM）
這些材料用作熱源和散熱器之間間隙的填充材料。它們通常具有更高的導(dǎo)熱率，有助于有效管理整個(gè)系統(tǒng)的熱傳遞。

2、散熱器
散熱器是與熱源接觸的金屬部件，主要通過(guò)傳導(dǎo)，有時(shí)通過(guò)對(duì)流或輻射來(lái)消除熱量。通常，鋁或銅用作散熱器材料，因?yàn)檫@些金屬的導(dǎo)熱率相對(duì)較高并且與其散熱效率成正比。由于通過(guò)表面進(jìn)行熱傳遞，因此散熱器專門設(shè)計(jì)成各種形狀以確保大的表面積。

3、熱管
熱管是密封的銅管或鋁管或含有流體的管。液體從熱表面吸收熱量，沸騰并進(jìn)入蒸汽狀態(tài)。

4、熱電模塊
熱電模塊是采用珀耳帖效應(yīng)的設(shè)備，基于向設(shè)備施加電流來(lái)加熱或冷卻組件。它們總是與散熱器一起使用，沒(méi)有散熱器，設(shè)備可能會(huì)過(guò)熱并失效。

5、導(dǎo)熱油脂或粘合劑
導(dǎo)熱粘合劑或油脂是另一種獨(dú)特的熱傳輸技術(shù)。其中一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是它們將組件粘合在一起，不能機(jī)械粘合。

很顯然，工程師們有著諸多的選擇，但是在保持產(chǎn)品大小的前提下，如何組合出最有效的的散熱方式確并不是一件輕松的工作。下面，元王通過(guò)一個(gè)案例分享，說(shuō)明CAE仿真如何幫助工程師優(yōu)化產(chǎn)品性能。

分析背景

某電子產(chǎn)品外殼在以下三種情況下進(jìn)行熱分析，下面的CAD幾何形狀圖包含了PCB板，芯片和外殼。

FEA模型

網(wǎng)格化模型

材料屬性

通過(guò)使用PCB與芯片，芯片和散熱器以及PCB和外殼之間的粘合接觸條件來(lái)約束接觸點(diǎn)。在此之后，定義材料，設(shè)置邊界條件。

仿真結(jié)果

溫度分布情況

熱通量分布情況

從上面的仿真結(jié)果可以看出，由于沒(méi)有散熱材料，芯片在設(shè)計(jì)1中變得非常熱（715 K）。這里主要是由于鋁外殼材料和硅芯片明顯過(guò)熱；設(shè)計(jì)2中的散熱器有助于消除芯片的熱量。與設(shè)計(jì)1相比，此處的散熱量高出12.6％（詳細(xì)數(shù)值結(jié)果見(jiàn)下表）；設(shè)計(jì)3中的銅熱管大大提高了傳熱效率，雖然熱界面材料（設(shè)計(jì)3中的硅導(dǎo)熱墊）價(jià)格昂貴，但在芯片和散熱片之間建立接觸層可以增強(qiáng)部件之間的熱耦合，并且可以更快更有效地散熱 - 因此，散熱量為95.8％,設(shè)計(jì)3最高。

溫度和熱通量的最大值如下表所示：

可以使用仿真來(lái)研究可能的進(jìn)一步設(shè)計(jì)改進(jìn)，例如，使用鋁散熱器，其比銅更便宜并且比銅輕近60％，或者具有不同厚度的不同TIM。

結(jié)論

很明顯，在電子設(shè)備中選擇適當(dāng)?shù)脑筒牧蟻?lái)傳導(dǎo)熱量是關(guān)鍵的設(shè)計(jì)決策之一。例如，銅的導(dǎo)熱率是鋁的1.8倍。添加銅熱管還可以進(jìn)一步提高導(dǎo)熱性，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)銅散熱器。同時(shí)，鋁的選擇也是合理的，因?yàn)樗阋撕透p，增加了電子元件的耐用性和效率。

這只是熱仿真如何幫助設(shè)計(jì)人員或工程師使用仿真評(píng)估其設(shè)計(jì)的一個(gè)案例。 有限元科技依托十?dāng)?shù)年來(lái)1000多家企業(yè)的CAE仿真應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，為電子產(chǎn)品行業(yè)提供全面的CAE應(yīng)用解決方案，涵蓋了有限元分析、CAE軟件培訓(xùn)、CAE軟件二次開(kāi)發(fā)、元王手機(jī)行業(yè)性CAE軟件、仿真實(shí)驗(yàn)室建設(shè)等各個(gè)方面。選擇有限元科技，為您的企業(yè)發(fā)展創(chuàng)造無(wú)限可能。