熱管理是任何電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段的關(guān)鍵組成部分。在流程的早期整合熱管理將帶來更具成本效益和可靠性的產(chǎn)品，并最大限度地延長平均故障間隔時(shí)間 (MTBF)。無論應(yīng)用程序如何，無論是筆記本電腦、電信機(jī)箱、智能手機(jī)還是裝有服務(wù)器的數(shù)據(jù)中心，情況都是如此。

無論市場部門如何，熱量都是對電子產(chǎn)品的威脅。不管最終產(chǎn)品是什么，都必須管理熱量以確保適當(dāng)?shù)男阅?。那?a target="_blank">工程師從哪里開始設(shè)計(jì)散熱解決方案呢?他們?nèi)绾蝺?yōu)化流程以確保熱量不會(huì)抹去在新產(chǎn)品設(shè)計(jì)上投入的時(shí)間和金錢?

為了避免設(shè)計(jì)階段代價(jià)高昂的試錯(cuò)，熱管理需要從設(shè)計(jì)的架構(gòu)階段開始，并貫穿整個(gè)產(chǎn)品開發(fā)過程。在實(shí)際條件下測試產(chǎn)品以了解其在高溫下的承受能力，使工程師能夠在產(chǎn)品上市之前更改設(shè)計(jì)，并使設(shè)計(jì)人員有機(jī)會(huì)進(jìn)行必要的更改以保護(hù)功能完整性和操作可靠性。

工程師要遵循的一條經(jīng)驗(yàn)法則是，成功的熱管理只關(guān)注器件的結(jié)(或工作)溫度。它是設(shè)備上需要管理的最熱點(diǎn)。成功的熱設(shè)計(jì)將使系統(tǒng)中所有關(guān)鍵器件的結(jié)溫低于其最壞情況的環(huán)境溫度。過熱會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤并降低系統(tǒng)的預(yù)期壽命。從材料特性到包裝問題和制造過程的設(shè)計(jì)復(fù)雜性使這一點(diǎn)變得復(fù)雜。

任何電子系統(tǒng)中的溫度分布和空氣分布都是時(shí)間和空間的。即使在電信機(jī)箱中的卡之間，您也會(huì)看到從頂部到底部的明顯溫度梯度。重要的是要記住，當(dāng)產(chǎn)生熱量時(shí)，它會(huì)向各個(gè)方向傳播，包括進(jìn)入設(shè)備所在的電路板。由于熱量向各個(gè)方向傳播，因此還必須考慮空氣管理。氣流會(huì)將熱量帶到其他設(shè)備，這將影響它們的結(jié)溫。

這表明熱管理不僅僅存在于設(shè)備級(jí)別。事實(shí)上，建模熱問題應(yīng)該從系統(tǒng)所在的環(huán)境開始，然后再轉(zhuǎn)移到電子設(shè)備所在的機(jī)柜，再到電路板、組件(芯片外殼)，然后再到芯片。電子封裝的性質(zhì)意味著系統(tǒng)的邊界條件會(huì)影響芯片。

熱量從芯片開始

最終，芯片的結(jié)溫將成為最終熱設(shè)計(jì)的主要關(guān)注點(diǎn)，無論是在 IGBT 或功率器件、CPU、GPU 還是任何其他產(chǎn)生所需功能的組件中. 像任何完整的電子系統(tǒng)一樣，很難在芯片級(jí)管理熱量，因?yàn)樗灿胁煌墓β史植己蜔狳c(diǎn)。

從芯片散發(fā)的熱量通過組件封裝傳導(dǎo)，最終通過對流和輻射傳遞到外部環(huán)境。這是一個(gè)高度三維的傳熱過程。

雖然熱和機(jī)械工程師通常是產(chǎn)品設(shè)計(jì)的最后一環(huán)，并且通常在后期階段被引入設(shè)計(jì)過程，但重要的是不要滿足于“類似的解決方案”。僅僅因?yàn)橐粋€(gè)解決方案適用于一個(gè)設(shè)計(jì)并不能保證它在另一個(gè)設(shè)備或系統(tǒng)上的成功。產(chǎn)品設(shè)計(jì)和散熱解決方案與制造它們的工程師一樣不同。封裝所使用的材料不同，制造工藝不同，芯片所處的環(huán)境不同，都對所需的熱設(shè)計(jì)產(chǎn)生重大影響。

數(shù)據(jù)不可傳輸，但確定解決方案的過程是可傳輸?shù)?。如果您可以在不關(guān)注特定數(shù)據(jù)的情況下理解解決方案路徑，那么您可以采用該路徑并將其應(yīng)用于您的挑戰(zhàn)。不要假設(shè)對問題的給定答案是普遍適用的解決方案。

成功熱設(shè)計(jì)的步驟

優(yōu)化設(shè)計(jì)熱管理的第一步是確定特定的熱操作要求;例如，結(jié)溫為 100°C，以提供您可以設(shè)計(jì)的接地零。在設(shè)計(jì)周期的所有階段執(zhí)行熱評(píng)估也將確保盡早發(fā)現(xiàn)任何問題，并且不需要進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)拆卸，這將花費(fèi)整個(gè)產(chǎn)品(可能還有一些工作)。無論您是集成空氣冷卻還是液體冷卻，此過程都是相同的。

采用系統(tǒng)級(jí)方法，旨在從積分/分析建模開始提供兩個(gè)獨(dú)立的解決方案。不要僅僅依賴計(jì)算建?；蛴?jì)算流體動(dòng)力學(xué) (CFD) 模擬。分析建模，即用標(biāo)準(zhǔn)方程在紙上計(jì)算壓力、溫度或空氣速度，將為計(jì)算機(jī)模擬提供一階解和參考點(diǎn)。

CFD 將始終提供解決方案，但如果沒有分析建模的參考點(diǎn)，則無法知道它是否是正確答案。最后一步是經(jīng)驗(yàn)或?qū)嶒?yàn)建模，包括在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中的真實(shí)條件下進(jìn)行測試。

在探索散熱解決方案時(shí)，從系統(tǒng)級(jí)開始，然后再回到芯片。計(jì)算結(jié)溫時(shí)，始終使用可能的最大功率。

在系統(tǒng)級(jí)別，牢記系統(tǒng)和相鄰系統(tǒng)的位置和環(huán)境。它會(huì)在室內(nèi)還是室外?它會(huì)在沙漠中還是在降水量很大的地區(qū)?其他潛在的設(shè)計(jì)限制包括美學(xué)。如果系統(tǒng)是一個(gè)必須漆成黑色的室外盒子，那么來自太陽的額外外部熱量需要成為熱設(shè)計(jì)的一部分。空氣過濾器、通風(fēng)口和開口是該級(jí)別的其他考慮因素。

在卡架級(jí)別，卡間距、EMI 屏蔽和支架材料都會(huì)影響熱性能。另外，有多少空間可供空氣自由通過，其他卡的氣流將如何影響這張卡上的熱量?卡是如何連接到框架上的，外殼可以用作散熱器嗎?

在電路板級(jí)別，材料及其導(dǎo)熱性對于了解熱傳遞的有效性非常重要。此外，還要考慮電路板上的局部金屬化以及組件/設(shè)備在印刷電路板上的布局方式。

在芯片級(jí)別或組件級(jí)別，設(shè)計(jì)人員需要考慮封裝類型和材料、功耗波動(dòng)、相鄰組件的功耗、組件之間的間距以及關(guān)鍵組件的熱阻。

結(jié)論

成功的熱設(shè)計(jì)路線圖從定義問題開始。從分析建模開始，在轉(zhuǎn)向計(jì)算機(jī)模擬之前創(chuàng)建一階解決方案，然后比較答案以確保它們在指定的公差范圍內(nèi)。

通過在設(shè)計(jì)過程的早期結(jié)合熱管理，避免災(zāi)難性故障并生產(chǎn)高度可靠的產(chǎn)品。電子設(shè)備的有效熱管理是故障安全操作的關(guān)鍵。

審核編輯：湯梓紅