應(yīng)用 | 國(guó)防工業(yè)電子產(chǎn)品的熱管理

2017-09-20 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

除了各種復(fù)雜的邊界條件外,國(guó)防工業(yè)電子產(chǎn)品熱管理的最大挑戰(zhàn)是碰到短暫的熱沖擊問題。這些電子產(chǎn)品經(jīng)常處于一種極端的熱環(huán)境下。假想一架停放在加勒比海的噴氣式戰(zhàn)斗機(jī),現(xiàn)在要去執(zhí)行一項(xiàng)任務(wù)。飛機(jī)此時(shí)處在海平面,溫度、濕度非常合適的環(huán)境下。當(dāng)飛機(jī)升空后,將處于高海拔、低于冰點(diǎn)溫度的環(huán)境中,在幾分鐘甚至幾秒鐘內(nèi)改變電子產(chǎn)品的邊界條件,因此飛機(jī)中的電子產(chǎn)品必須可以在較大范圍的環(huán)境溫度下工作。

另外,由于軍事任務(wù)的本性,勢(shì)必導(dǎo)致這些電子產(chǎn)品承擔(dān)較大的數(shù)據(jù)處理量,同時(shí)要求較快的數(shù)據(jù)處理速度,相應(yīng)低,電子產(chǎn)品的熱耗會(huì)隨之急劇增加。因此,惡劣的環(huán)境條件、急劇增大的芯片熱耗,使得國(guó)防工業(yè)電子產(chǎn)品的熱管理面臨巨大的挑戰(zhàn)。同時(shí),要求產(chǎn)品呈現(xiàn)輕量化、完美的可靠性也都增加了熱設(shè)計(jì)的難度。

對(duì)許多處于大氣層或者外太空環(huán)境下的電子設(shè)備來說,重量是一個(gè)非常重要的要素。重量越輕,產(chǎn)品持續(xù)工作的時(shí)間越長(zhǎng),花費(fèi)的費(fèi)用越低。很明顯,由于噴氣式戰(zhàn)斗機(jī)、導(dǎo)彈、坦克等的既有特性,使得電子產(chǎn)品處于惡劣的熱環(huán)境下,因此國(guó)防工業(yè)電子產(chǎn)品的熱可靠性是一個(gè)非常重要的因素。

下圖為一個(gè)成功的電子產(chǎn)品中熱設(shè)計(jì)扮演的角色以及環(huán)境對(duì)它的影響,可以看出,海拔、高溫、低溫、濕度、溫度沖擊、太陽熱輻射、沖擊振動(dòng)、結(jié)冰、各類惡劣環(huán)境(真菌、沙漠、灰塵、煙灰等等)均對(duì)熱設(shè)計(jì)有不同程度的影響。

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下圖顯示了地球大氣至外太空環(huán)境的溫度梯度、空氣組成,軍用或航空航天電子產(chǎn)品將會(huì)在這樣的環(huán)境下工作。

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空氣的減少及密度的改變,會(huì)極大的影響電子產(chǎn)品的熱管理,二者對(duì)熱管理的影響可以參考下圖:

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可以清楚地看出海拔對(duì)空氣行為的影響。電子產(chǎn)品的熱設(shè)計(jì)必須克服各類邊界條件,滿足產(chǎn)品工作的環(huán)境。

與其他電子產(chǎn)品類似,國(guó)防工業(yè)電子產(chǎn)品必須具有良好的冷卻系統(tǒng),可以考慮使用熱管將熱量由一個(gè)地方傳送至其他地方或者低溫的冷卻系統(tǒng)。沒有一種解決方法可以滿足所有的工況。冷卻系統(tǒng)必須考慮其工作的空間尺寸、重量及熱耗要求。為了考慮電磁屏蔽要求,通常的電子系統(tǒng)傾向于被設(shè)計(jì)成封閉的機(jī)箱,并且大多數(shù)電子產(chǎn)品盡量與冷卻系統(tǒng)隔離。想像一輛奔馳在沙漠里的悍馬汽車,如果不將電子產(chǎn)品密閉封裝,其工作的各類環(huán)境要比如沙子、碎片等等,會(huì)使得電子產(chǎn)品癱瘓不工作。

當(dāng)然,目前市場(chǎng)上充斥著各種各樣號(hào)稱“下一代”冷卻系統(tǒng)的產(chǎn)品。“下一代”冷卻系統(tǒng)常常意味著更高的冷卻能力,更緊湊更微小的冷卻系統(tǒng)。除非我們能制造出新一代的超導(dǎo)熱體、流體,否則我們更應(yīng)該專注于目前的技術(shù),盡力去減小電子產(chǎn)品的傳熱阻力,提高電子產(chǎn)品的熱可靠性。

軍用電子產(chǎn)品通常呈現(xiàn)更高的熱流量。使用高導(dǎo)熱率的基板材料、均溫板(熱管)、內(nèi)嵌在芯片Die中的TEC、射流冷卻或者直接浸入式液冷,這樣可以使得熱量被傳輸至液體,進(jìn)而被傳送至液冷系統(tǒng)的換熱器中。下圖顯示了這樣的過程。

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在過去的幾十年里,工程師開發(fā)了新的熱管理材料,比如加入金剛石顆粒的鋁、銀、銅、陶瓷、鈷等等,有助于對(duì)電子產(chǎn)品進(jìn)行散熱,提高其可靠性。

由于芯片熱耗高、工作環(huán)境惡劣,目前很多工程師對(duì)電子產(chǎn)品偏向于使用混合冷卻方式進(jìn)行熱設(shè)計(jì)。大部分電子芯片使用風(fēng)冷散熱,對(duì)于熱耗極大的器件使用水冷散熱。但是對(duì)于空間飛行或者外太空的電子器件來說,這種散熱方式不可取。工程師必須設(shè)計(jì)更緊湊的液冷系統(tǒng),其擁有高的吸熱能力。比如浸入液冷(油冷)、冷板、蒸發(fā)冷卻、射流冷卻等等。在未來的幾年內(nèi),設(shè)計(jì)開發(fā)、加工更好的液冷板,開發(fā)更好的液冷材料,使得其能滿足電子產(chǎn)品的散熱,大家對(duì)這些液冷能力的開展寄予厚望。

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蒸發(fā)冷卻圖