熱管理是任何電子產(chǎn)品設(shè)計階段的關(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間 (MTBF)。無論應(yīng)用程序如何，無論是筆記本電腦、電信機箱、智能手機還是裝有服務(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?shù)男阅堋Ｄ敲?a target="_blank">工程師從哪里開始設(shè)計散熱解決方案呢?他們?nèi)绾蝺?yōu)化流程以確保熱量不會抹去在新產(chǎn)品設(shè)計上投入的時間和金錢?

為了避免設(shè)計階段代價高昂的試錯，熱管理需要從設(shè)計的架構(gòu)階段開始，并貫穿整個產(chǎn)品開發(fā)過程。在實際條件下測試產(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，并使設(shè)計人員有機會進行必要的更改以保護功能完整性和操作可靠性。

工程師要遵循的一條經(jīng)驗法則是，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。成功的熱設(shè)計將使系統(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。過熱會導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸錯誤并降低系統(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)計復(fù)雜性使這一點變得復(fù)雜。

任何電子系統(tǒng)中的溫度分布和空氣分布都是時間和空間的。即使在電信機箱中的卡之間，您也會看到從頂部到底部的明顯溫度梯度。重要的是要記住，當產(chǎn)生熱量時，它會向各個方向傳播，包括進入設(shè)備所在的電路板。由于熱量向各個方向傳播，因此還必須考慮空氣管理。氣流會將熱量帶到其他設(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)備級別。事實上，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)計的主要關(guān)注點，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，很難在芯片級管理熱量，因為它也有不同的功率分布和熱點。

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。這是一個高度三維的傳熱過程。

雖然熱和機械工程師通常是產(chǎn)品設(shè)計的最后一環(huán)，并且通常在后期階段被引入設(shè)計過程，但重要的是不要滿足于“類似的解決方案”。僅僅因為一個解決方案適用于一個設(shè)計并不能保證它在另一個設(shè)備或系統(tǒng)上的成功。產(chǎn)品設(shè)計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)摹Ｈ绻梢栽诓魂P(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)計的步驟

優(yōu)化設(shè)計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)計的接地零。在設(shè)計周期的所有階段執(zhí)行熱評估也將確保盡早發(fā)現(xiàn)任何問題，并且不需要進行系統(tǒng)級拆卸，這將花費整個產(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)級方法，旨在從積分/分析建模開始提供兩個獨立的解決方案。不要僅僅依賴計算建模或計算流體動力學(xué) (CFD) 模擬。分析建模，即用標準方程在紙上計算壓力、溫度或空氣速度，將為計算機模擬提供一階解和參考點。

CFD 將始終提供解決方案，但如果沒有分析建模的參考點，則無法知道它是否是正確答案。最后一步是經(jīng)驗或?qū)嶒灲＃ㄔ趯嶒炇噎h(huán)境中的真實條件下進行測試。

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

在系統(tǒng)級別，牢記系統(tǒng)和相鄰系統(tǒng)的位置和環(huán)境。它會在室內(nèi)還是室外?它會在沙漠中還是在降水量很大的地區(qū)?其他潛在的設(shè)計限制包括美學(xué)。如果系統(tǒng)是一個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)計的一部分。空氣過濾器、通風口和開口是該級別的其他考慮因素。

在卡架級別，卡間距、EMI 屏蔽和支架材料都會影響熱性能。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。

在芯片級別或組件級別，設(shè)計人員需要考慮封裝類型和材料、功耗波動、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)計路線圖從定義問題開始。從分析建模開始，在轉(zhuǎn)向計算機模擬之前創(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