为有效的电子热管理奠定基础

热管理是任何电子产品设计阶段的关键组成部分。在流程的早期整合热管理将带来更具成本效益和可靠性的产品，并最大限度地延长平均故障间隔时间 (MTBF)。无论应用程序如何，无论是笔记本电脑、电信机箱、智能手机还是装有服务器的数据中心，情况都是如此。

无论市场部门如何，热量都是对电子产品的威胁。不管最终产品是什么，都必须管理热量以确保适当的性能。那么工程师从哪里开始设计散热解决方案呢?他们如何优化流程以确保热量不会抹去在新产品设计上投入的时间和金钱?

为了避免设计阶段代价高昂的试错，热管理需要从设计的架构阶段开始，并贯穿整个产品开发过程。在实际条件下测试产品以了解其在高温下的承受能力，使工程师能够在产品上市之前更改设计，并使设计人员有机会进行必要的更改以保护功能完整性和操作可靠性。

工程师要遵循的一条经验法则是，成功的热管理只关注器件的结(或工作)温度。它是设备上需要管理的最热点。成功的热设计将使系统中所有关键器件的结温低于其最坏情况的环境温度。过热会导致数据传输错误并降低系统的预期寿命。从材料特性到包装问题和制造过程的设计复杂性使这一点变得复杂。

任何电子系统中的温度分布和空气分布都是时间和空间的。即使在电信机箱中的卡之间，您也会看到从顶部到底部的明显温度梯度。重要的是要记住，当产生热量时，它会向各个方向传播，包括进入设备所在的电路板。由于热量向各个方向传播，因此还必须考虑空气管理。气流会将热量带到其他设备，这将影响它们的结温。

这表明热管理不仅仅存在于设备级别。事实上，建模热问题应该从系统所在的环境开始，然后再转移到电子设备所在的机柜，再到电路板、组件(芯片外壳)，然后再到芯片。电子封装的性质意味着系统的边界条件会影响芯片。

热量从芯片开始

最终，芯片的结温将成为最终热设计的主要关注点，无论是在 IGBT 或功率器件、CPU、GPU 还是任何其他产生所需功能的组件中. 像任何完整的电子系统一样，很难在芯片级管理热量，因为它也有不同的功率分布和热点。

从芯片散发的热量通过组件封装传导，最终通过对流和辐射传递到外部环境。这是一个高度三维的传热过程。

虽然热和机械工程师通常是产品设计的最后一环，并且通常在后期阶段被引入设计过程，但重要的是不要满足于“类似的解决方案”。仅仅因为一个解决方案适用于一个设计并不能保证它在另一个设备或系统上的成功。产品设计和散热解决方案与制造它们的工程师一样不同。封装所使用的材料不同，制造工艺不同，芯片所处的环境不同，都对所需的热设计产生重大影响。

数据不可传输，但确定解决方案的过程是可传输的。如果您可以在不关注特定数据的情况下理解解决方案路径，那么您可以采用该路径并将其应用于您的挑战。不要假设对问题的给定答案是普遍适用的解决方案。

成功热设计的步骤

优化设计热管理的第一步是确定特定的热操作要求;例如，结温为 100°C，以提供您可以设计的接地零。在设计周期的所有阶段执行热评估也将确保尽早发现任何问题，并且不需要进行系统级拆卸，这将花费整个产品(可能还有一些工作)。无论您是集成空气冷却还是液体冷却，此过程都是相同的。

采用系统级方法，旨在从积分/分析建模开始提供两个独立的解决方案。不要仅仅依赖计算建模或计算流体动力学 (CFD) 模拟。分析建模，即用标准方程在纸上计算压力、温度或空气速度，将为计算机模拟提供一阶解和参考点。

CFD 将始终提供解决方案，但如果没有分析建模的参考点，则无法知道它是否是正确答案。最后一步是经验或实验建模，包括在实验室环境中的真实条件下进行测试。

在探索散热解决方案时，从系统级开始，然后再回到芯片。计算结温时，始终使用可能的最大功率。

在系统级别，牢记系统和相邻系统的位置和环境。它会在室内还是室外?它会在沙漠中还是在降水量很大的地区?其他潜在的设计限制包括美学。如果系统是一个必须漆成黑色的室外盒子，那么来自太阳的额外外部热量需要成为热设计的一部分。空气过滤器、通风口和开口是该级别的其他考虑因素。

在卡架级别，卡间距、EMI 屏蔽和支架材料都会影响热性能。另外，有多少空间可供空气自由通过，其他卡的气流将如何影响这张卡上的热量?卡是如何连接到框架上的，外壳可以用作散热器吗?

在电路板级别，材料及其导热性对于了解热传递的有效性非常重要。此外，还要考虑电路板上的局部金属化以及组件/设备在印刷电路板上的布局方式。

在芯片级别或组件级别，设计人员需要考虑封装类型和材料、功耗波动、相邻组件的功耗、组件之间的间距以及关键组件的热阻。

结论

成功的热设计路线图从定义问题开始。从分析建模开始，在转向计算机模拟之前创建一阶解决方案，然后比较答案以确保它们在指定的公差范围内。

通过在设计过程的早期结合热管理，避免灾难性故障并生产高度可靠的产品。电子设备的有效热管理是故障安全操作的关键。

审核编辑：汤梓红