熱管理是任何電子產品設計階段的關鍵組成部分。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品，并最大限度地延長平均故障間隔時間 (MTBF)。無論應用程序如何，無論是筆記本電腦、電信機箱、智能手機還是裝有服務器的數據中心，情況都是如此。

無論市場部門如何，熱量都是對電子產品的威脅。不管最終產品是什么，都必須管理熱量以確保適當的性能。那么工程師從哪里開始設計散熱解決方案呢?他們如何優(yōu)化流程以確保熱量不會抹去在新產品設計上投入的時間和金錢?

為了避免設計階段代價高昂的試錯，熱管理需要從設計的架構階段開始，并貫穿整個產品開發(fā)過程。在實際條件下測試產品以了解其在高溫下的承受能力，使工程師能夠在產品上市之前更改設計，并使設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驗法則是，成功的熱管理只關注器件的結(或工作)溫度。它是設備上需要管理的最熱點。成功的熱設計將使系統(tǒng)中所有關鍵器件的結溫低于其最壞情況的環(huán)境溫度。過熱會導致數據傳輸錯誤并降低系統(tǒng)的預期壽命。從材料特性到包裝問題和制造過程的設計復雜性使這一點變得復雜。

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，當產生熱量時，它會向各個方向傳播，包括進入設備所在的電路板。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備，這將影響它們的結溫。

這表明熱管理不僅僅存在于設備級別。事實上，建模熱問題應該從系統(tǒng)所在的環(huán)境開始，然后再轉移到電子設備所在的機柜，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，芯片的結溫將成為最終熱設計的主要關注點，無論是在 IGBT 或功率器件、CPU、GPU 還是任何其他產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，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品設計的最后一環(huán)，并且通常在后期階段被引入設計過程，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計并不能保證它在另一個設備或系統(tǒng)上的成功。產品設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，都對所需的熱設計產生重大影響。

數據不可傳輸，但確定解決方案的過程是可傳輸的。如果您可以在不關注特定數據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用于您的挑戰(zhàn)。不要假設對問題的給定答案是普遍適用的解決方案。

成功熱設計的步驟

優(yōu)化設計熱管理的第一步是確定特定的熱操作要求;例如，結溫為 100°C，以提供您可以設計的接地零。在設計周期的所有階段執(zhí)行熱評估也將確保盡早發(fā)現任何問題，并且不需要進行系統(tǒng)級拆卸，這將花費整個產品(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?；蛴嬎懔黧w動力學 (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。最后一步是經驗或實驗建模，包括在實驗室環(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)?其他潛在的設計限制包括美學。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計的一部分?？諝膺^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/設備在印刷電路板上的布局方式。

在芯片級別或組件級別，設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鍵組件的熱阻。

結論

成功的熱設計路線圖從定義問題開始。從分析建模開始，在轉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。

通過在設計過程的早期結合熱管理，避免災難性故障并生產高度可靠的產品。電子設備的有效熱管理是故障安全操作的關鍵。

審核編輯：湯梓紅