电子产品热设计领域面临的以下 10 个关键难题

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电子设备的小型化趋势正在持续增加所有封装级别的功率密度。设备小型化源于降低成本考虑，这也是许多行业的关键驱动因素，其结果就是设计裕量越来越少，对过度设计的容忍度越来越低。这一点对于产品的物理设计来说尤其准确，因为过度设计会增加产品的重量和体积，很多时候还会增加制造和组装成本，从而增加最终产品的成本。

有效散热对于电子产品的稳定运行和长期可靠性而言至关重要。将部件温度控制在规定范围内是确定某项设计可接受程度的通行标准。散热解决方案可直接增加产品的重量、体积和成本，且不具有任何功能效益，但它们提供的是产品可靠性。如果没有散热系统，大部分电子产品用不了几分钟就会发生故障。漏电流以及由此产生的漏电功耗会随着芯片尺寸缩小而上升；此外，由于漏电与温度密切相关，因而产品热设计就更加重要，正如需要为物联网 (IoT) 设备保持电量一样。

那么，企业中的工程管理人员应如何介入涉及复杂和/或高功率电子部件的产品开发流程才能确保其产品既保持应有的热性能又满足其他设计要求呢？

要回答这个问题，我们需要探讨电子产品热设计领域面临的以下 10 个关键难题。

1. 热设计所涉及的工科范围

电子散热（或称为热设计）其实是一个相当小众的细分领域。二十年之前，热设计通常是企业中的集中设计活动，配有热专家团队，成员主要是具有热传递知识背景的机械工程师，为所有业务部门提供热设计服务。当时，产品的机械部分（包括任何散热解决方案）与电子部分是独立进行设计的。那时的产品开发速度非常缓慢，因为大部分精力仍然放在产品的物理样机研究，用于纠正设计完成后可能出现的问题。但今天，热设计作为一个学科领域可能由负责某个产品设计的跨学科团队中由一个或多个成员来完成（具体视公司或行业情况而定）。

对于那些以确保产品热运行正常为己任的设计师来说，热设计既可以是专职工作，也可以是兼职工作；他们可能是同时涉足产品机械的通才（而非热处理专家），也可能是电子专业工程师。

在企业或业务部门内考虑优化热设计事宜时，应考虑团队成员的专业背景和实际技能。由于其专业背景各异，可能需要各不相同的热设计工具来发挥各自的最大效率。因此，从设计工具的角度考虑，一定要因地制宜，不能一刀切。

图 1：FloTHERM XT 的界面可提供全面的 MCAD 支持

2. 不同的目标设计环境

为什么当初热设计人员都来自机械或电气专业背景？部分原因在于历史上企业对热设计的一贯看法，以及因此而产生的热设计如何与其他设计活动相结合的问题。

在部分企业中，热设计可能被视为 PCB 设计流程的一部分，与主要的电子设计并行，尤其是设计用于标准插 架的产品时；在此情况下，承担热设计任务的则可能是电子工程师，习惯使用 EDA 工具，例如 Mentor 公司的XpediTIon Enterprise [1]。此时，最好为他们提供基于 EDA的 PCB 仿真解决方案套件，例如 Mentor 公司的HyperLynx 产品，其中包含有热分析模块，当然还有设计规则检查、电源完整性、信号完整性、三维电磁以及模拟仿真等。

图 2：HyperLynx 的热设计界面图片（其中显示的是热模型）

而在另一方面，热设计可能被视为与产品机械设计部分并行，这一点在传统行业（例如汽车行业）较为普遍，因为这些产品中的电子成分一直增长缓慢，直到最近几年。在此情况下，承担热设计任务的则可能是汽车工程师、机械工程师或产品工程师，习惯在企业 PLM 环境下使用高端主流的 MCAD 工具集，例如达索系统集团的 CATIA V5 或 SolidWorks、PTC 公司的 Creo 或西门子的 NX等。此时，最好为他们提供直接嵌入在 MCAD 系统中的热设计解决方案，一来对他们轻车熟路，二来恰好与企业现有工作流程完美契合。Mentor 公司的三维计算流体动力学 (CFD) 分析解决方案 FloEFD [2] 已经植入上述所有 MCAD 系统，并与欧特克 Inventor 和西门子 SolidEdge 紧密集成，提供专门的支持模块用于电子散热和 LED 照明等应用。

图 3：西门子 NX 界面图片（其中显示的是 FloEFD 热模型）