论文总字数：26092字

摘 要

电子器件的小型化、高度集成化使得电子器件的散热问题变得不可忽视。据统计，单个电子元器件的温度每升高10℃，系统的可靠性就降低50%。因此非常有必要研究电子器件的传热特性，尤其是工作在低压等恶劣环境中的电子器件。

本文首先构建了自然对流及强迫对流条件下球栅阵列封装（BGA）的几何模型，采用有限元模拟法分析了BGA的稳态流场及温度场，以及功耗、环境压力及散热方式对BGA传热特性的影响。数值模拟的结果显示：（1）BGA的稳态温度随环境压力的下降而上升，随功耗的上升而上升；（2）强迫对流的冷却效果优于自然对流。

为进一步分析电子器件的传热特性，本文搭建了低压环境下电子器件传热特性实验台。选用硬盘作为研究对象，通过实验研究了强迫对流散热条件下环境压力、功耗、硬盘结构对其传热特性的影响。实验结果与数值模拟结果基本符合，实验结果表明：（1）功耗为2.0W、环境压力下降到0.2bar时电子器件上最大温升要比1.0bar时提高4.8℃；（2）其他条件不变，有壳硬盘各点温升要高于无壳硬盘，在硬盘芯片处最高可以高出1.5℃；（3）硬盘功耗上升时，各测温点温度随之上升，但距芯片越远的测温点温度变化越迟缓。

本文主要研究了环境压力、功耗、散热方式、硬盘结构对硬盘传热特性的影响。得出了各参数与硬盘温度的变化规律，对电子器件的热设计具有指导意义。

关键词：电子器件；传热特性；数值模拟；环境压力

ABSTRACT

Electronic devices are undergoing miniaturization and high integration as the fast development electronic technologies, which made people have to pay their attention on the heat dissipation of the electronic devices. According to the statistical analysis, the system reliability will reduce 50% if the temperature increase 10℃. So it’s necessary to do research on the heat transfer characteristics of the electronic devices, especially those working in harsh environment, like the low pressure environment.

In this paper, firstly, a BGA geometry was constructed in natural convection and forced convection condition. Then conducted finite element simulation to analyze the steady flow field and temperature field of the BGA. And then studied the influence of the power, environment pressure and heat dissipation mode on the heat transfer characteristics of the BGA. The result of the simulation showed: (1)The steady temperature of the BGA increased while the environment pressure decreased; (2)The cooling effect of forced convection is better than natural convection.

In order to study further on the heat transfer characteristic of the electronic device, a experiment table was designed. The disk for the computer was selected as the research object and conducted a experiment to study the influence of environment pressure, power and disk structure on the heat transfer characteristic of the disk. The experiment result was well accord with the simulation result. The experiment result showed: (1) While the power was 2.0W and the pressure was 0.2bar, the temperature rise of the disk would increase 4.8℃ comparing with 1.0bar; (2) Temperature rise of the disk with a shell was higher than disk without a shell in the same condition, sometimes can be 1.5℃ higher; (3) Temperature would rise while the power is higher, but the more far between the thermocouple and the chip, the temperature changes more slower.

This paper focused on study the influence of the power, environment pressure, heat dissipation mode and disk structure on the heat transfer characteristics of electronic devices, and obtained the change law between the variable above and the temperature of the disk. The conclusion can be a guidance to the thermal design of electronic devices.

KEY WORDS: Electronic devices; Heat transfer characteristics; Numerical simulation; Environment pressure

目 录

摘 要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.1引言 1

1.2电子封装及电子器件散热方式概述 1

1.2.1电子封装简介 1

1.2.2电子器件散热方式 2

1.3电子器件传热特性的研究现状 2

1.3.1电子器件在常压环境的传热特性研究现状 3

1.3.2电子器件在低压环境的传热特性研究现状 3

1.4本文主要研究内容 4

第二章 电子器件传热特性的数值模拟 5

2.1引言 5

2.2模型建立与网格划分 5

2.2.1电子器件结构尺寸及热物性 5

2.2.2计算区域结构尺寸及热物性 5

2.2.3几何模型建立 6

2.2.4网格划分 6

2.3初始条件与边界条件 7

2.3.1初始条件 7

2.3.2边界条件 8

2.4数值模拟结果与分析 8

2.4.1自然对流模拟结果 8

2.4.2强迫对流模拟结果 9

2.5结果分析 11

2.6本章小结 11

第三章 电子器件传热特性的实验研究 13

3.1引言 13

3.2实验装置 13

3.2.1压力控制系统 15

3.2.2温度控制系统 16

3.2.3硬盘读写系统 16

3.2.4数据采集系统 17

3.3实验方案 18

3.3.1环境条件 18

3.3.2实验步骤 18

3.4实验数据处理 19

3.4.1原始实验数据统一化 19

3.4.2求各硬盘工况下各测点最高温度 20

3.4.3求各硬盘工况下温度稳定后各测温点平均温度 20

3.5实验结果与分析 20

3.5.1定义测温点温升 20

3.5.2硬盘自身工况对其传热特性的影响 21

3.5.3硬盘结构对其传热特性的影响 22

3.5.4环境气压对硬盘传热特性的影响 23

3.5.5测温点位置与其温升的关系 24

3.5.6硬盘内部传热过程 25

3.6本章小结 26

第四章 结论与展望 27

4.1结论 27

4.2展望 27

致 谢 29

参考文献 30

第一章 绪论

1.1引言

随着电子信息技术的飞速发展，电子设备越来越多的出现在人们的生活中。为了不断优化提高如手机、电脑等电子设备的工作性能，对组成电子设备的各个电子器件提出了越来越高的要求，因而电子设备朝着高性能、高集成度发展。然而伴随着电子技术的发展，虽然单个电子元器件的电流、电压有所下降，但是电子元器件总数目在增加、封装密度在提高^[1]。根据摩尔定律^[2]，电子器件上晶体管密度满18个月就会翻番。电子器件的小型化和集成化使得电子器件单位面积发热量急剧上升^[3]-[4]。

由于电子元器件的性能受温度影响较大，温度过高或过低都会影响电子元器件或者整个设备的可靠运行，因此为了使电子装置正常运行需要保证其内部的电子元器件在一定温度范围工作（约-5~65℃）^[5]。然而由于电子器件的单位面积发热量不断升高，倘若不采取有效的散热措施，会导致电子器件的温度升高，进而导致电子设备的失效。研究表明电子设备的失效超过55%是由于温度过高引起的^[6]。单个半导体元件的温度升高10℃，系统的可靠性将下降50%^[7]。工作在90℃的集成芯片的失效率是其工作在40℃时的75倍^[8]。温度促使电子器件失效的方式包括直接和间接作用，直接作用即电子器件在其工作温度达到一定值时因发生化学反应直接失效，间接作用即电子器件在热应力或震动的作用下疲劳失效。

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