在机载设备的设计过程中，热分析、热设计及热测 试更是电子产品开发设计必不可少的环节，而同样对 于机载设备电子吊舱的环境控制系统进行热分析、热 设计及热测试更是重中之重。北京航空航天大学余建 祖等对国内外最具代表性和先进性的三种电子吊舱环 境控制进行了分析和评述，这是电子设备环境级温度 控制的一个典型代表。
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｒａｐｉｄ ｄｅＶｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｔｈｅ ｏＶｅｒｈｅａｔ ｐｍｂｌｅｍ ｉｓ ｂｅｃｏｍｉｎｇ ｍｏｒｅ ａｎｄ
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（孤ｅ ３８琥鼢ｅｎｒｃ＾加舭抛矿∞粥，蚴ｉ ２３００３１，劬ｉ船）
电路板级的热设计、热分析和热测试主要研究电 路板的结构元器件布局对元件温度的影响以及电子设 备电路板的温度分布，计算出电子元器件的结点温度， 进行可靠性预计，其热设计则是对电路板结构及其元 器件进行合理安排，在电路板及其所在箱体内采用温 度控制措施，达到降温的目的。
环境级的热设计、热分析和热测试主要研究电子 设备所处的环境温度的影响，环境温度是电路板级热 分析的重要边界条件，其热设计是采取必要的控制温 度措施使电子设备在适宜的环境温度下工作。
Ｊｏｎａｔｈｏｎ Ｗｅｉｓｓ等人通过对电子元件封装的热分 析，提出电子系统可靠性的关键是保持ＩＣ的结点温度 低于允许工作温度点。美国奥克兰大学Ｂ．ｃａｈｌｏｎ等 对对流冷却及对电子元件的优化布局进行了研究，建 立了电子设备强迫对流冷却的数学模型。
我国国防科工委也于１９９２年７月发布了国家军 用标准ＧＪＢ／ｚ２７—９２《电子设备可靠性热设计手册》， 提供了军用电子设备热设计，热可靠性分析与鉴别的 方法，提供了热设计的基本理论和计算方法，是进行热 设计的基本依据。
第ｌ期
吕永超，等：电子设备热分析、热设计及热测试技术综述及最新进展
７
有限元法对不规则几何区域的适应性好，但在对 流项的离散处理及不可压缩Ｎａｖｉｅｒ—ｓｔｏｋｅｓ方程的原 始变量法求解方面不如有限容积法发展成熟。
有限分析法是８０年代初发展起来的一种数值方 法，它可以克服在高Ｒｅ数下有限差分法及有限容积 法的数值解容易发散或振荡的缺点，但其计算工作量 较大，对计算区域几何形状的适应性也较差。
具体来说，电子设备的热设计包括选择合适的冷 却方式，布置冷却剂流型及方向以及排列封装内的电 子部件等。对于具体的热设计，在选择冷却方法时应 考虑下列因素：设备的热流密度（或体积功率密度）， 总功耗，能提供散热的表面积和体积，设备和元器件工 作的允许温升，冷却剂类型，冷却剂流量和人口温度， 环境温度及其它的特殊要求。
Ｖｅｌｏｐｍｅｎｔ．
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Ｏ引 言
伴随着计算机、通讯、军用、航空航天及民用市场 等领域的需求，电子技术得到迅猛地发展。看到这样 一个事实：①电子器件的封装密度不断地提高，其热 流密度不断地增大；②电子产品向微型化方向不断发 展，功率更大而外形尺寸日益缩小；③电子产品已经 渗透到各个领域，其应用环境不断扩大，所使用的热环 境差异很大。电子产品的这些发展趋势使得电子设备 过热的问题越来越突出。电子设备的过热是电子产品 失效的主要原因之一，严重地限制了电子产品性能及 可靠性的提高，也降低了设备的工作寿命。研究资料 表明：半导体元件的温度升高１０℃，可靠性降低５０％。 因此电子设备内的温升必须予以控制，而运用良好的 散热措施来有效地解决这个问题则是关键。伴随着电 子技术的发展，解决电子设备过热问题的方法也在不 断地完善。
目前，国外在这方面的技术较为成熟，取得了许多 应用和理论上的成果。而国内由于电子工业的发展落 后于国外。因此在电子设备热技术方面的研究也相应
＋收稿日期：２００６一０５—２ｌ
万方数据
６
电子机械工程
第２３卷
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图２芯片的表面热流密度发展趋势
热分析方法主要有两类：分析方法和数值方法。 分析法苦于对高阶偏微分方程缺乏有效的求解方 法，只能求解一些简单的问题，但它对定性地分析影响 元器件温度的因素很有帮助。 随着现代计算机技术的飞速发展，用数值方法求 解传热学问题所占的比重越来越大。数值方法主要 有：有限差分法、有限容积法、有限元素法及有限分析 法等。 有限差分法是求解偏微分数值解的最古老的方 法。对简单的几何形状中的流动与传热问题也是一种 最容易实施的方法。其不足的是离散方程的守恒持性 难以保证，而最严重的缺点则是对不规则区域的适用 性差。 用有限容积法导出的离散方程可以保证具有守恒 性，而且物理意义明确，对区域形状的适应性也比有限 差分法要好，是目前应用最普遍的一种数值方法，而且 随着非结构化网格的研究，其对不规则几何区域的适 应性方面存在不足的现状也正在改进，有限容积法应 用的范围将更为广泛。
图３微波晶体管的发展趋势
滞后，水平较低，尚处于初期阶段，但这几年也逐渐认 识到了该研究对航空航天及军事方面的重要性及迫切 性。
美国在７０年代就颁发了可靠性热设计手册；日本 电器公司１９８５年推出的巨型计算机已采用水冷技术； 而且国外很多公司都在致力于各种电子设备冷却方法 的计算机辅助热分析软件的开发，力求快速准确地计 算出电子设备的温度分布。
解决电子设备过热问题，提高产品可靠性的相关
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图ｌ芯片的功率发展趋势
技术称为电子设备热技术。它主要包括：热分析、热设 计及热测试三大技术，是发现解决电子设备热缺陷不 可缺少的技术手段。这三大技术的集成以及在电子产 品开发中的并行应用，可以极大地缩短产品开发周期， 提高产品开发设计的经济性，保证电子产品的综合性 能。
对电子设备系统来说，要保证芯片、印制板及整个 系统均能可靠地工作。按电子设备结构层次（芯片 级、印制板级、系统级）的不同，相应地也提出电子设 备热设计、热分析和热测试的三个层次，即：芯片级的
万方数据
热设计、热分析和热测试，印制板级的热设计、热分析、 热测试，环境级的热设计、热分析和热测试。
芯片级的热设计、热分析和热测试主要研究芯片 内部结构及其封装形式对传热的影响，计算及分析芯 片的温度分布，对材料结构进行热设计，降低热阻增加 传热途径，提高传热效果，达到降低温度的目的。
鉴于热设计、热分析和热测试技术对电子设备的 芯片、印制板及整个系统都很关键，下面就对电子设备 热设计、热分析和热测试的关键性技术作一分析。
１ 热分析主要技术
电子设备热分析，又称为热模拟，是利用数学的 手段在电子设备的概念设计阶段获得温度分布的方 法，它可以使电子设备设计人员和可靠性设计人员在 设计阶段就能发现产品的热缺陷，从而改变其设计。
２００７年第２３卷第ｌ期
电子机械工程
２００７．Ｖ０１．２３ Ｎｏ．１
日ｅｃｔｒｏ—Ｍ代ｈａＩＩｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎ∞ｒｉｎｇ
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电子设备热分析、热设计及热测试技术 综述及最新进展＋
吕永超。杨双根 （中国电子科技集团公司第３８研究所， 安徽合肥２３００３１）
摘要：随着电子技术的迅猛发展，电子设备过热问题愈显突出。文中阐述了电子设备冷却设计的常用 手段及其最新的进展情况。 关键词：电子设备冷却；电子设备热技术；热分析；热设计；热测试 中图分类号：ＴＫｌ２４；ＴＮ０６ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１００８—５３００（２００７）０１—０００５—０６
（１）空气自然对流冷却技术是利用设备中各个元 器件的空隙以及机壳的热传导、自然对流和辐射来达 到冷却目的，是一种安全、可靠和不需外加动力的冷却 方式，一般应优先考虑。但当电子设备的热流密度超 过０．０８ Ｗ／ｃｍ２时，这种冷却方法就已经不能够解决 它的冷却问题了。
（２）空气强迫对流冷却由于设计简单、使用方便 以及成本低等优点得到了充分的发展。但是由于空气 比热容小，风速受到噪音的限制又不能太大，因此空气 冷却的冷却能力一般不超过１．０ Ｗ／ｃｍ２。但因为强迫 风冷的诸多优点，使得许多科学家们都在不断力求在 这种技术上有所突破，提高它的冷却能力。乔治亚理 工大学封装研究中心所研究的微喷流技术，它是风冷
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数值技术确定ＰｃＢ板的温度分布。Ｄａｚ Ｇｕａｎｇ Ｌｉｕ等 人采用渐进波形估计概念的新技术求解温度分布。 Ｔｉｅｎｚ Ｙｕ Ｔｏｍ Ｌｅｅ等人采用计算流体动力学（ｃＤＦ）工 具预测便携式电子产品的温度。
我们对具体的问题作热分析时，要选择适合的热 分析方法。
２热设计主要技术与最新进展
热设计的总原则就是自热源至耗散空间（环境） 之间，提供一条尽可能低的热阻通路。解决热阻的方 法，一是控制电子元器件的内热阻，也即芯片级的热设 计；二是控制电子元器件或整机设备的外热阻，也即印 制板级和环境级的热设计。目的是控制电子元器件的 节点温度，使之在允许的工作温度范围内。
近年来，为了更加迅速、准确地模拟电子设备的 温度，许多学者致力于热分析技术的研究和探索，取 得了许多有参考价值的成果。