发布需求
微电子发展趋势的一个重要方面就是电路密度的加，这导致芯体的功率耗散和热量的加，电子设备温度迅速升高，从而使电子设备的故障越来越多。由于元件密度加以及热传输路径的复杂性，电子设备的热分析和热设计成为一个不可忽视的问题。对常规电子设备常采用数值计算的方法研究电子设备的稳态热特性，以便为电子设备热设计提供依据。但航天飞行器，航空飞行器，一些雷达通讯系统和军用电子系统中的电子设备，往往要经受环境条件的复杂变化，因而电子设备将经受工作温度的巨大变化。
这些在复杂环境中工作的电子设备除了和一般工业的电子设备一样需要进行稳态热分析外，还必须进行瞬态温度场及热特性的数值计算111.这样可以对影响热特性的诸因素（如：部件几何尺寸、耗散热分布、材料的热物性参数、热控制方式、边界条件等）进行定性、定量分析和计算机辅助设计。数值模拟的结果对优化电子设备的热设计、进行故障分析以及保证在复杂环境中工作的电子设备的性能和可靠性具有重要指导意义，研究成果在高科技和国防领域有广泛应用前景。
1传热基本定理在自然界和工程实际中发生的大量传热过程，按其热传导方式可分为三种：热传导，对流和热辐射。作为元件级的分析，只考虑元件内部的热传导和元件外表面与空气对流散热。其中，热传导的控制方程由傅立叶定律得到：1%基金项目：§器装备af毙c，翻House.散采摈两点姻差分cilco腿lElectronicPublishin在之i！，。所1以在芯片上施加0奶/的产热载荷et芯片bookmark3表示结构的瞬态温度；表示过程进行的时间；Q表示单位体积内热源的生成热。元件外表面与空气对流换热作为控制方程（1）的边界条件，即：示温度在表面外法线方向上的变化率。下角标w表示壁面，f表示流体。a与Tf可以是常数，也可以是某种随时间和位置而变化的函数。
2有限元理论有限元法在解热传输和流体流动方程中被广泛应用。有限元法的单元形状和疏密程度可以是任意变化的，因而可以用较少的节点而使区域达到更好的近似。
考虑到电子元件具有复杂的形状，所以用有限元法来对电子元件的温度场进行数值模拟和热分析。将求解区域划分成有限个单元，选择合适的加权函数，将连续的温度场离散到每个节点上，最后把所有的单元在整个区域上合成，得到一系列的平衡方程，写成矩阵的形式是121：+是热传导矩阵，是热容矩阵P是温度载荷矩阵T是节点温度矩阵，是节点温度对时间的导数矩阵相应的矩阵元分别为：中r为包含边界节点i/的单元在第三类边界条件上的平面域，（6）r为包含边界节点i的单元在第三类边界上的平面域。对（3）式进行时间域的离通过上式迭代计算可以得到任意时刻节点温度阵列3双列直插元件DIP的结构双列直插元件dp是目前被广泛应用于各种电子设备的电子元件，它的典型结构如所示。由工作芯片、导热杆、塑料封装和插脚构成。其中工作芯片是DP的核心部分，也是唯一的发热部分。为了加强芯片的散热，在芯片下方是具有较大导热系数的导热杆，一般是金属铜，它可以加强芯片的散热。塑料封装起固定、保护芯片的作用。插脚通过细金属导线与芯片相连。因为导线很细，通过它的传热量很小，可以忽略不计。典型DP的各部分的材料见表1导热系数比热材料芯片导热杆塑料封装插脚4DIP的有限元模型称，所以只取其四分之一进行有限元的网格划分和求解，如所示。因为芯片、导热杆和插脚具有较规则的几何结构，所以采用六面体单元划分网格，可以减少单元的数量，加快计算速度。而塑料封装具有复杂的结构，所以采用四面体单元进行自适应网格划分。元件各部分间交接处的网格划分较密，这样可以得到更精确的计算结果。而塑料封装的网格则较稀疏。
8W，因为模型只是DP的四四分之一的DIP的有限元网格的对称面热流量为零，所以施加绝热边界条件。芯片外表面与周围空气是对流换热，给定空气的温度为322 65IK对流换热系数为542W/（m、1.在这种条件下用有限元求解DP的稳态温度场分布如所示。
5稳态分析由可以看出，芯体的温度最高，达到了368.6IK因为塑料封装的导热系数很小，所以塑料封装的温度由中心到边缘呈明显的由高到低的分布，离芯体最远处的两角的温度接近周围空气温度。从图中纵向温度分布可以明显地看出导热杆的加强散热作用。插脚的导热系数较大，所以每个插脚的温度呈均匀分布，按离芯体的距离依次降低。中5个壁面散发的热量比例如所示。由图可知，从上下两个壁面散发的热量大致相等，共散发出近百分之四十的热量，远壁面散出的热量最少，仅为百分之六。而侧面与插脚散发了大半的热量，可见加强插脚与侧面方向的散热对降低元件温度将更有效。可采取措施包括选取更大导热系数的插脚材料及改变导热杆的形状和大小来强元件的横向传热。分别给塑料封装和插脚选择另外一种常用材料，得到四种不同的材料搭配组合|41.在相同的发热功率和边界条件下重新计算，得到元件最高温度和热阻如表2所示。从表2可以看出，采用导热性能较好的材料对降低元件的热点温度有较明显的效果。元件的内热阻随着材料的改变有较大的变化，而元件的外热阻几乎保持不变。由表2可知，改善塑料DIP表面各部分散热比例表2不同封装与插脚组合下元件的最高温度封装A封装B插脚X插脚Y封装和插脚组合最高温度K外部热阻/（K.W/-'）内部热阻/（K.W/-'）封装的导热性能可明显降低元件的温度lectrnic Huse.在芯体发热功率依次为02W，04W，06W的条件下，改变芯体表面与空气的对流换热系数依次为40302010W/（m、K），得到芯体的最高温度的变化及内外热阻的变化如和所示。由图可知，DP热点温度随发热功率的加呈线性变化。对流换热系数越小，则外热阻越大，元件热点温度越高。对流换热系数的改变对元件内热阻几乎没有影响，内热阻是由元件的材料所决定的。而元件的外热阻则随对流换热系数的减小而急剧加。由可知，在对流换热系数很小的时候，元件的外热阻要远远大于其内热阻。因此在这种情况下要改善元件的散热，采取更换元件材料从而减小内热阻的方式是几乎没有效果的，这个时候应该大对流换热系数，从而迅速减小元件的外热阻，达到降低元件热点温度的目的。而在对流换热系数己经较大的情况下，外热阻随对流换热系数的改变己经很微小，这个时候要改善元件的散热就只能靠更改元件的材料，减小内热阻来达到目的了。
6瞬态分析在电子元件的工作过程中，元件的功率或者边界条件并非是一直保持不变的，而是会随着元件工作状态的改变而改变。在电子元件的热设计和测试过程中，为了确保元件的正常工作，最有效的方法是对元件在最恶劣（即元件发热功率最高、环境温度最高及与周围换热系数最小）的工作状态下进行稳态热分析。
但是电子元件并非一直工作在最恶劣的状态下，特别是某些元件最恶劣的工作状态出现的时间很短，只占其工作时间的一小部分，这种设计思路就会造成不必要的浪费。此外，由于对电子元件的测试时间很短，因此要求元件具有较快的热响应性能。预先知道元件的温度一时间响应曲线对设计测试过程的冷却系统是非常重要的。获得元件的热响应性能的最有效的方法是对元件进行实际测量以获得数据，但是在元件的初始设计阶段是没有元件原型的，对元件进行瞬态热分析可对元件的热响应性能提供合理的预测。
8W脉冲载荷时DIP的温度-时间响应曲线。这是电子元件设计过程中的一种典型的测试，目的是在短时间内引起元件的温升以测试热应力|51.其中，曲线AX代表DP的封装和插脚的材料采用表2中的AX组合，曲线BY代表采用表2中的BY组合。
由和可以看出，在施加脉冲载荷后元件的散热过程中，曲线BY比曲线AX平缓，因此采用导热性能较好的材料可以改善元件的热响应性能。
对电子元件进行瞬态热分析可以很容易得到任何时间内元件任何位置的温度变化曲线。所示为芯片功率为08W的DP在周围环境温度为50度，对流换热系数为这5个：位置在工作的最初内的温度e-i时间曲线在电子设备的使用过程中，边界条件往往是随时间变化的，影响元件温度的传热过程是一个连续变化的过程。特别对于航空电子设备，这种变化尤其明显。
以X型电子吊舱为例，由于电子吊舱采用独立的由冲压空气驱动的逆升压回冷式的开式环控系统，其环控系统出口冷气温度是随飞行高度和速度（亦即随冲压空气进口温度）变化的。许多热载荷很高的工作阶段持续时间较短，如果按照最严重状态进行电子元件的热设计，经济性差，对提高系统的性能不利，因此有必要进行瞬态分析。0表示X型电子吊舱的瞬态温（下转第28页）1134电源功加装在多种型号一次雷达上。由此证明雷达的“三航管处理电源，其外型尺寸WXHXD=71. 12化”设计达到了预期的效果。mmX3103mmX220mm，重量约2结论小型化单脉冲二次雷达目前己批量生产，并己成：郭月霞（1965 -）女，河南人，高级工程师，主要从事雷达结构总体工作。
（上接第25页）度图|31，其中0~10分钟是飞机加速爬升阶段，10~13分钟是等速平飞阶段，13~15分钟是减速爬升阶段，15 ~25分钟是等速巡航平飞阶段，25~30分钟是加速俯冲阶段，30 ~35分钟是减速爬升阶段，35~45分钟是等速平飞阶段，45 ~50分钟是减速下降阶段。其中在25~30分钟之间的加速俯冲阶段是吊舱热载荷最严重的阶段。由图可见，地面与高空的空气有近30度的温差，这对电子设备的工作状态有明显的影响。
个不同位置温度随时间的变化曲线如1所示。对比0和1可以看出，虽然在飞机爬升阶段吊舱温度明显下降，但是由于芯片的发热而使DP的温度迅速升高，当芯片发热与DP表面的散热保持动态的平衡后，整个元件的温度走势与周围空气温度的变化相一致，保持相对稳定的状态，这也说明元件具有较好的热响应性能。
7结束语机载电子设备可经受环境条件的复杂变化，因此必须对电子设备进行稳态和瞬态热分析，以了解影响电子元件热特性的主要因素，掌握改进和优化热设计的方向。以双列直插元件DP为例，用有限元进行稳态热分析表明，元件内热阻与材料传热性能密切相关，改善塑料封装的导热性可大幅降低元件温度；元件的外热阻主要取决于其表面与周围环境的对流换热系数典型的测试程序，得到了DP在测试过程中的温度-时间响应曲线，为设计测试过程的冷却系统提供了理速的时间段的瞬态温度曲线，为元件的热应力分析提供了数据。结合X型吊舱进行瞬态热分析表明，元件除了在工作的最初阶段温度迅速升高外，其余时间整个元件的温度保持相对稳定，并与周围环境空气的温度变化走向一致，这为优化元件的热设计提供了理论支持。
