您怎样看待热设计的现状?
热设计被称为“古老的新技术”。意思是说其基础——传热工学和流体力学早已确立,而其应用技术——“热设计”会因电子设备的不同而变化。设计的方法和设计人员的作用也须随电子设备的变化而变化。但现实情况是并不是那么顺利。
关于电子设备和热设计,我认为最近大致有四个方面出现了变化,即(1)热设计的作用,(2)部件小型化及底板高导热率化的封装,(3)密闭及无风扇的设备结构和(4)仿真水平的提高。
(1)热设计的作用有何变化?对于电子设备的开发有何影响?
热设计有三个作用:(Ⅰ)保证功能和性能;(Ⅱ)保证寿命;(Ⅲ)保证安全性。过去的热设计中,(Ⅱ)占的比重较大,能够影响(Ⅰ)和(Ⅲ)的问题极为罕见。
然而如今,热设计成了决定(Ⅰ)功能及性能的主要因素。比方说,LED在温度升高后会变暗,最新型微处理器在温度升高后处理速度会下降等。
对于(Ⅲ)安全性的影响也不容忽视。随身携带的设备需要留意低温烫伤问题。在表面温度超过44℃的情况下即可能发生低温烫伤。如果设备采用的是将部件热量发散至外壳的结构,那么,为了防止人体受伤,外壳温度需要确保低于一定温度。
导致大规模召回的故障和着火冒烟大多源于焊点的破损和火花。其发生原因是焊点受到的热应力。因此,除了部件温度,焊锡的温度管理也非常重要。热设计中温度管理的对象也在增加。
(2)部件小型化及底板高导热化率等封装变化对热设计有什么影响?
随着产品走向小型高性能化,部件、底板和封装正在向小型化、多层化和高密度化发展。其结果,现在大多数的部件无法自行冷却。如果不封装到底板上令其发热,温度就会超过允许范围。
由于散热量与表面积成正比,因此,小型化会缩小表面积,散热能力会急剧丧失。这一部分需要依靠底板散热弥补。
以前的设备是借助对流使部件热量从表面发散,其热设计与外壳设计关系密切。而如今大部分热量都是通过底板发散,可以说,部件的散热是由底板设计支撑的。但底板设计人员的热设计意识及知识却似乎还停留在过去的水平。
需要注意的是,因封装变化,热设计的常识也在变化。在过去,“把怕热的部件置于上风处”是常识。这是因为,对于部件热量直接向空气发散的设备,部件间通过空气会相互影响。如果怕热的部件位于下风处,就会受到带有其他部件热量的热空气侵袭。
但这在今天已经不再是“常识”。由于多层化,在接地层的作用下,铜箔残留率较高的底板导热性能优异,无需借助空气,而是通过底板的传导与部件交换热量。因此,无论是在上风处还是下风处,部件的受热量基本不变。
(3)密闭和无风扇等设备结构变化应该怎样看待?
对于过去的计算机等通风型设备,设计人员的作用明确分为两个层面。底板设计的重点是使部件热量尽快发散至周围空气;外壳设计的重点是高效排气,防止内部温度上升。
让我们来看手机这种没有风扇、外壳密闭的设备。即便部件热量发散至周围空气,外壳内部的空气温度仍然会上升,部件温度不会下降。部件散热需要利用外壳,并且由外壳向外部空气发散热量。这样的话,底板与外壳的热设计就必须实现融合。必须指派专人负责“设备整体的热设计”,统筹各个分项设计。印象当中,改换成这种体制和工艺的企业为数不多。
对于(4)仿真水平的提高应该怎样看待?
如今的开发设计环境也发生着巨大变化。随着个人电脑的高性能化,热流体分析已是轻而易举。现在的设计人员已经拥有了无需制造实物的虚拟实验环境。与只能使用计算器的时代大不相同。充分利用这一环境,即可提高开发竞争力。
然而,使用高端的数值仿真并不代表能够准确预测温度。即便温度预测准确,也不一定就能够进行合理的热设计。如果不心存模型化和离散化误差意识,对设计方案进行验证,难保不会被仿真“愚弄”。