电子产品热管理
发布时间:2011/8/27 11:36:23 访问次数:3164
对于电子器件及电路工作中不可避免的“副产品”——热量进行治理，保证电路和产品正常工作，通常称为“热管理”，是电子产品设计制造中非常重要的一个技术环节。一般提到电子制造热设计，指的就是热控制在这一方面的应用。
1．热管理与电子系统 H11AV1A
由于电流的热效应，所有电子器件及电路工作中都会发热，并且随着电路工作频率的提高、电子器件高集成度和产品高密度组装的发展趋势，这种热量“副产品”有增无减，温度的升高对电子产品工作的影响日益严重。
统计数据表明55%的电子产品失效与过高的热环境应力有关。较严酷的热环境应力对大多数电子产品的正常工作产生严重的影响，导致电子元器件加速失效’从而引起整个产品的失效。近年来，随着大规模、超大规模集成电路和表面贴装技术的应用'电子产品向小型化、高密度、高可靠性方向发展，尤其在航空航天领域，高度集成性、高度精确性、高度复杂性和极其狭小的空间等特点，使得对电子系统热设计的要求也越来越高，热管理已成为影响其性能和可靠性的重要因素之一。
1)温度对电路工作的影响
有源器件的温度升高通常会改变它的电参数，例如增益、漏电流、失调电流、失调电压和正向压降等。例如有源器件的工作温度每升高10℃，漏电流将会增大约1倍'降低这些器件的温度可以减小漏电流的影响。如果一个有源器件的温度升得太高，超过容许范围，容易引起器件失效。
无源元件工作温度的变化通常会改变它们的数值。例如，薄膜电阻的温度系数范围从每摄氏度百万分之几(10-6/℃)到百万分之几百。陶瓷电容器的电容值随温度酌变化在容许的温度范围内（-55～125℃）可达到60%。这些电参数的变化一般是我们所不希望的。
如果温度升到足够高，被“加热”的有源或无源元器件可能会永久退化甚至完全失效。这些失效包括热击穿、结失效、金属化失效、腐蚀、电阻漂移和电迁移扩散等'因此设计者需要尽量减小任何温度的升高。
2)温度对产品结构的影响
一个电子产品，从元器件、印制电路板或其他零部件到整机，都是由多种材料以一定方式连接组成，这些材料温度系数各不相同，当它们受到温度变化时，除了少数特例,都会产生热胀冷缩，而材料在膨胀或收缩时受到约束就会产生热应力作用。这种热应力反复作用的结果就会引起相应物理结构的损坏。图7.4.4所示为一个铜散热装置和金属化的陶瓷基板焊接在一起的结构实例。陶瓷的TCE为6.4×10-6/℃，而铜的TCE为16.8×10-6/℃，在温度循环过程中，热胀冷缩反复进行，铜将以比陶瓷更快的速率膨胀和收缩，但是受到约束。经过一段时间和重复的温度循环后，这种约束将会导致铜散热装置弯曲、焊接点失效、陶瓷翘曲或者开裂，从而使这个物理结构完全失效。为了减小或消除热应力，需要选择合适的材料并减少由自身发热引起的温度变化。
3)温度对可靠性的影响
电子元器件的失效率和热量成正比，它的值可由Arrheniu。方程表示：
F=Ae-EA/KT
式中，A为常数；F为失效率；EA为激活能(eV)；K为玻耳兹曼常数(8.63×10-5eV/K)；T为结温(K)。
激活能是一个与失效机理有关的参数，可以从有关手册查得，作为最终产品可靠性评估的依据。例如腐蚀的激活能为0.53～0.70、电迁移为0.68～0.95、金一铝膜为1.0等。如果一个器件的激活能E=1OeV，当它的工作温度由50℃升高到60℃时，失效率将增大到2.9倍；如果激活能为0.65eV，同样温度升高失效率将增大到2.0倍。
图7.4.5所示的IC封装中的内引线键合，是金丝键合到铝压焊块上（或者铝丝键合到金压焊块上），在高温下将出现一种特殊的失效机理——形成金属间化合物并形成空洞。金属间化合物是一种容易脆断的金相，随着温度升高和时间而生长。图7.4.5中所示是在180℃温度下，经过96h后金属间化合物生长的情况。为了减少这些金属间化合物的生长，必须降低半导体中的温升。金属间化合物生长
2．电子产品的热环境
电子产品工作时热环境的多样性和可变性是热设计的一个重要因素，例如装在宇航飞行器上的电子设备，在整个飞行过程中将遇到地球大气层的热环境、大气层外的宇宙空间的热环境等。汽车上工作的电子元器件所经受的环境条件比室内环境下设备的条件要恶劣得多，它们必须满足不同环境温度和压力变化，此外，还有机械振动、冲击和环境腐蚀多种不确定因素。
通常电子产品工作的热环境包括：
①环境温度和气压（或高度）的极限值；
②环境温度和气压（或高度）的变化率；
③太阳或周围物体的辐射热；
④可利用的热沉（包括种类、温度、压力和湿度）；
⑤冷却剂的种类、温度、压力和允许的压降等。
热沉是一个传热学术语，是指一个无限大的热容器，它的温度不随传递到它的热能大小而变化，它可能是大地、大气、大体积的水或宇宙，又称热地。对空用和陆用设备而言，周围的大地就是热沉。
不同领域电子产品工作热环境相差很大，例如航天器上的电子设备依靠向宇宙空间的热辐射实现散热，其空间环境温度为-269℃，由于没有空气，因而不存在对流传热；航天器经受太阳的直接热辐射、行星及其卫星的反照以及行星与卫星阴影区的深度冷却，故在航天器表面应有合适的涂层，以适应太空环境的热控制需要。
由于电子技术的迅速发展，电子产品工作环境千差万别，很难对所有的电子元器件规定一个标准化的热环境，各国都有自己相应的国家标准。
3．电子产品的冷却方法 H4CFC2DI
电子产品（或元器件）可以通过各种方法冷却。各种冷却方法各有千秋，要根据不同领域的不同产品要求选择。各种方法可以单独使用，也可以几种联合使用。
1)按冷却剂与被冷却元器件是否直接接触分类
(1)直接冷却这种方法是冷却剂进入电子设备后，直接与被冷却元件相接触，将元器件的热量带走，达到冷却的目的，如图7.4.6(a)所示。
(2)间接冷却设备内部的冷却剂通过所有的发热元件，将接收到的热量传到设备的外壳，再通过外部的一个热交换器，由外部冷却剂将热量散掉，如图7.4.6(b)所示。
2)按传热机理分类
按传热机理分类，有如下几种方法。
(1)自然冷却利用设备中各个元器件的空隙以及机壳的热传导、对流和辐射来达到冷却目的，这种方法广泛的应用在中小功率设备上。自然对流依赖于流体的密度变化，所要求的驱动力不是很大，因此在流动路径中容易受到障碍和阻力的影响而降低流体的流量和冷却速率。因此在清晰干净且畅通的情况下，自然对流是一种比较有效的冷却方式。一般情况下，电子设备都采用此种冷却方式。
(2)强迫冷却 分为空气和液体两种方式，其中空气冷却形式应用最广泛，通常采用风扇实现强制对流，称为“风冷”，其换热量比自然对流和辐射要大10倍，可以减小电子产品体积。
(3)相变冷却相变过程伴随有大量热量的释放和吸收，采用相变冷却的方法可以对电子设备进行有效的温度控制。利用相变材料的相变过程作为热控制的基本形式有两种：液体的气化和固体的熔化。图7.4.7所示为液体的气化冷却示意图，主要应用于高能量密度的部件或电子器件冷却。
(4)冷却新技术 由于电子产品微小型化趋势，电子制造中热管理技术要求越来越高，要求冷却方法的效率越来越高，冷却器的体积越来越小，传统的冷却方法已经越来越出捉襟见肘。多种冷却新技术，例如热管冷却、半导体（热电）致冷、微通道致冷、热声致冷等高效率、小体积的致冷方法在不断涌现并发展。
4．热控制基本原则 H57V2562GTR-75C
热控制的总原则就是自热源至耗散空间（环境）玄间，提供一条热阻尽可能低的通路。降低热阻的方法，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，也即印制电路板级和整机级的热设计。热控制的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。
1)满足可靠性要求
电子产品热设计是设备可靠性设计的一项重要技术。由于温度与元器件失效率的指数规律，随着温度的升高，失效率迅速增加。因此，在进行热设计时，必须首先了解元器件的热特性，并根据GJB/2299《电子设备可靠性预计手册》提供的元器件有关数据进行可靠性预测，并根据设备工作环境的类别和元器件质量等级等，预测元器件的工作失效率以及设备的可靠性。
高温对大多数电子元器件将产生严重的影响。过应力（电、热或机械应力）容易使元器件过早失效，电应力与热应力之间有着紧密的内在联系，减少电应力（降额）可使热应力相应降低，从而提高其可靠性。
2)满足热环境要求
不同领域电子产品工作热环境相差很大，例如地面用电子设备的热环境包括设备周围的空气温度、湿度、气压和空气流速，设备周围物体的形状和黑度，日光照射等；机载电子设备的热环境包括飞行高度、飞行速度、设备在飞机上的安装位置、右无空调舱、空调空气的温度和流速等。再如为了防止水汽冷凝造成的电气短路或电化学腐蚀等，舰船用的电子设备，应避免在空气的露点温度以下工作；而机载的电子设备，由于飞行高度、温度及湿度变化较大，如果采用强迫空气冷却的方式，要防止潮气充塞设备，应把电子元器件与冷却空气隔离开。
3)适应冷却系统的工作要求
热控制应满足对冷却系统的工作要求。例如对使用的电源（交流或直流及功率）的要求，对振动和噪声的限制，对冷却剂进出口温度的限制及对冷却系统结构（安装条件、密封、体积和质量等）的限制等。
4)可用性与可维护性
由于现代电子设备的安装密度在不断地提高，各种导线不同性能的元器件和零部件对环境因素敏感性不同，且各自的散热量也很不一样。热设计就必须为它们提供一种适当的“微气候”（人为地造成电子设备中局部冷却的气候条件），以保证不管环境条件如何变化，冷却系统都能按预定的方式完成规定的冷却功能，并且具有良好的可维护性。
5)储备与应急能力
系统冷却能力应有一定的储备，即通常所谓留有余地，工程上称为冗余设计，防止有的设备在工作一段时间后，由于工程上的变化，可能会引起热损耗或流体流动阻力的增加，则要求增大其散热能力，以便无需多大的变更就能增加其散热能力。
应急能力指在紧急情况下，保证电子系统具有最基本的冷却措施，关键部件或设备在冷却系统某些部件遭破坏或不工作的情况下，应具备继续工作的能力。
6)高效率与经济性
热管理要根据系统要求、环境温度、允许工作温度、可霏性要求，以及产品尺寸、质量、冷却所需功率、经济性与安全等因素，选择最简单而且高效率的冷却方法，使系统具有良好的经济性。
5．冷却方法的选择
电子产品的热控制，一般从确定元器件或设备的冷却方法开始。冷却方法的选择直接影响整机结构、元器件与部件的组装设计、可靠性、质量和成本等。要有效地控制元器件或设备的温度，必须首先确定它们的发热量、与散热有关的结构尺寸、工作环境条件及其他特殊要求（如密封、气压等）。
冷却方法的选择应与电子线路的模拟试验研究同时进行，它既能满足电气性能的要求，又能满足热可靠性指标的要求。选择冷却方法时，应考虑设备（或元器件）的热流密度、体积功率密度、总功耗、体积、表面积、．工作热环境条件、热沉以及其他特殊条件等。
自然冷却（导热、自然对流和辐射换热的单独作用或两种以上换热形式的组合）的优点是可靠性高、成本低。它不需要通风机或泵之类的冷却剂驱动装置，避免了因机械部件的磨损或故障影响系统可靠性的弊病，是优先考虑的冷却方法。
图7.4.8所示为根据设备的允许温升和热流密度确定冷却方法。由图可见，当温升为60℃时，自然冷却的热流密度小于0.05W/cm2，因此，这种冷却方法不可能提供lW/cm的热流密度，甚至在温升为100℃时也是这样。如果用强迫通风冷却，则传热能力可提高一个数量级。若采用碳氟化合物相变（蒸发）冷却，则可提供相当高的传热能力，且这种冷却剂具有很高的介电特性，可使大多数功率元件直接浸入工作液进行冷却，其热流密度将超过lOW/cm2，而温升却小于10℃。
图7.4.8中仅列出一些常用冷却方法，目前热管、半导体、微通道冷却等新的冷却技术正在发展。例如热管冷却技术，传热性能比相同的金属导热能力高几十倍，且热管两端的温差很小，是一种小体积、高效率的冷却技术。
6．热管理CAE
目前，辅助热设计并验证热设计效果的方法有两种：热测量和热分析。其中热测量能准确地得到温度分布，但必须制作物理样机，通过对真实样机的试验和测量获得改进数据，因而热设计的周期长并且代价较大。热分析又称热模拟，它采用数学手段，在设计初期就能发现产品的热缺陷，从而改进其设计，特别是随着计算机技术的发展，利用电子设计自动化(EDA)和计算机辅助工程(CAE)有关软件进行热分析、热仿真，大大缩短电子产品的开发周期，为提高产品设计的合理性及可靠性提供有力保障。
热分析的基础是计算传热学，分析方法主要有两类：解析法和数值分析法。其中，解析法只能求解一些简单的问题；数值法以离散数学、数值计算为基础，以计算机为工具，能对大虽复杂问题进行求解。数值计算方法主要有有限差分法、有限容积法、有限元素法和边界元法等。热分析的基本内容包括根据工程实际来对模型简化，建立数学模型，求解非线性方程,编制和调试分析程序以及热参数的计算和测量、验证等。作为热设计的基础，热分析是评估热设计好坏的重要手段。
目前，国外许多公司已经开发出了电子产品与系统的热分析软件，并大多已商品化，例如，美国Fluent公司的Icepak软件，英国Flomerics公司的Flotherm软件等。这些专业级软件一般都包括大量的电子元器件和零部件模型、各种风扇库及材料库等，功能比较齐全，可以满足不同领域、不同尺度级别的热分析。例如Icepak软件就包括：
①环境级——机房、外太空等环境级的热分析；
②系统级——电子设备机箱、机柜以及方舱等系统级的热分析；
③板级--PCB板级的热分析；
对于电子器件及电路工作中不可避免的“副产品”——热量进行治理，保证电路和产品正常工作，通常称为“热管理”，是电子产品设计制造中非常重要的一个技术环节。一般提到电子制造热设计，指的就是热控制在这一方面的应用。
1．热管理与电子系统 H11AV1A
由于电流的热效应，所有电子器件及电路工作中都会发热，并且随着电路工作频率的提高、电子器件高集成度和产品高密度组装的发展趋势，这种热量“副产品”有增无减，温度的升高对电子产品工作的影响日益严重。
统计数据表明55%的电子产品失效与过高的热环境应力有关。较严酷的热环境应力对大多数电子产品的正常工作产生严重的影响，导致电子元器件加速失效’从而引起整个产品的失效。近年来，随着大规模、超大规模集成电路和表面贴装技术的应用'电子产品向小型化、高密度、高可靠性方向发展，尤其在航空航天领域，高度集成性、高度精确性、高度复杂性和极其狭小的空间等特点，使得对电子系统热设计的要求也越来越高，热管理已成为影响其性能和可靠性的重要因素之一。
1)温度对电路工作的影响
有源器件的温度升高通常会改变它的电参数，例如增益、漏电流、失调电流、失调电压和正向压降等。例如有源器件的工作温度每升高10℃，漏电流将会增大约1倍'降低这些器件的温度可以减小漏电流的影响。如果一个有源器件的温度升得太高，超过容许范围，容易引起器件失效。
无源元件工作温度的变化通常会改变它们的数值。例如，薄膜电阻的温度系数范围从每摄氏度百万分之几(10-6/℃)到百万分之几百。陶瓷电容器的电容值随温度酌变化在容许的温度范围内（-55～125℃）可达到60%。这些电参数的变化一般是我们所不希望的。
如果温度升到足够高，被“加热”的有源或无源元器件可能会永久退化甚至完全失效。这些失效包括热击穿、结失效、金属化失效、腐蚀、电阻漂移和电迁移扩散等'因此设计者需要尽量减小任何温度的升高。
2)温度对产品结构的影响
一个电子产品，从元器件、印制电路板或其他零部件到整机，都是由多种材料以一定方式连接组成，这些材料温度系数各不相同，当它们受到温度变化时，除了少数特例,都会产生热胀冷缩，而材料在膨胀或收缩时受到约束就会产生热应力作用。这种热应力反复作用的结果就会引起相应物理结构的损坏。图7.4.4所示为一个铜散热装置和金属化的陶瓷基板焊接在一起的结构实例。陶瓷的TCE为6.4×10-6/℃，而铜的TCE为16.8×10-6/℃，在温度循环过程中，热胀冷缩反复进行，铜将以比陶瓷更快的速率膨胀和收缩，但是受到约束。经过一段时间和重复的温度循环后，这种约束将会导致铜散热装置弯曲、焊接点失效、陶瓷翘曲或者开裂，从而使这个物理结构完全失效。为了减小或消除热应力，需要选择合适的材料并减少由自身发热引起的温度变化。
3)温度对可靠性的影响
电子元器件的失效率和热量成正比，它的值可由Arrheniu。方程表示：
F=Ae-EA/KT
式中，A为常数；F为失效率；EA为激活能(eV)；K为玻耳兹曼常数(8.63×10-5eV/K)；T为结温(K)。
激活能是一个与失效机理有关的参数，可以从有关手册查得，作为最终产品可靠性评估的依据。例如腐蚀的激活能为0.53～0.70、电迁移为0.68～0.95、金一铝膜为1.0等。如果一个器件的激活能E=1OeV，当它的工作温度由50℃升高到60℃时，失效率将增大到2.9倍；如果激活能为0.65eV，同样温度升高失效率将增大到2.0倍。
图7.4.5所示的IC封装中的内引线键合，是金丝键合到铝压焊块上（或者铝丝键合到金压焊块上），在高温下将出现一种特殊的失效机理——形成金属间化合物并形成空洞。金属间化合物是一种容易脆断的金相，随着温度升高和时间而生长。图7.4.5中所示是在180℃温度下，经过96h后金属间化合物生长的情况。为了减少这些金属间化合物的生长，必须降低半导体中的温升。金属间化合物生长
2．电子产品的热环境
电子产品工作时热环境的多样性和可变性是热设计的一个重要因素，例如装在宇航飞行器上的电子设备，在整个飞行过程中将遇到地球大气层的热环境、大气层外的宇宙空间的热环境等。汽车上工作的电子元器件所经受的环境条件比室内环境下设备的条件要恶劣得多，它们必须满足不同环境温度和压力变化，此外，还有机械振动、冲击和环境腐蚀多种不确定因素。
通常电子产品工作的热环境包括：
①环境温度和气压（或高度）的极限值；
②环境温度和气压（或高度）的变化率；
③太阳或周围物体的辐射热；
④可利用的热沉（包括种类、温度、压力和湿度）；
⑤冷却剂的种类、温度、压力和允许的压降等。
热沉是一个传热学术语，是指一个无限大的热容器，它的温度不随传递到它的热能大小而变化，它可能是大地、大气、大体积的水或宇宙，又称热地。对空用和陆用设备而言，周围的大地就是热沉。
不同领域电子产品工作热环境相差很大，例如航天器上的电子设备依靠向宇宙空间的热辐射实现散热，其空间环境温度为-269℃，由于没有空气，因而不存在对流传热；航天器经受太阳的直接热辐射、行星及其卫星的反照以及行星与卫星阴影区的深度冷却，故在航天器表面应有合适的涂层，以适应太空环境的热控制需要。
由于电子技术的迅速发展，电子产品工作环境千差万别，很难对所有的电子元器件规定一个标准化的热环境，各国都有自己相应的国家标准。
3．电子产品的冷却方法 H4CFC2DI
电子产品（或元器件）可以通过各种方法冷却。各种冷却方法各有千秋，要根据不同领域的不同产品要求选择。各种方法可以单独使用，也可以几种联合使用。
1)按冷却剂与被冷却元器件是否直接接触分类
(1)直接冷却这种方法是冷却剂进入电子设备后，直接与被冷却元件相接触，将元器件的热量带走，达到冷却的目的，如图7.4.6(a)所示。
(2)间接冷却设备内部的冷却剂通过所有的发热元件，将接收到的热量传到设备的外壳，再通过外部的一个热交换器，由外部冷却剂将热量散掉，如图7.4.6(b)所示。
2)按传热机理分类
按传热机理分类，有如下几种方法。
(1)自然冷却利用设备中各个元器件的空隙以及机壳的热传导、对流和辐射来达到冷却目的，这种方法广泛的应用在中小功率设备上。自然对流依赖于流体的密度变化，所要求的驱动力不是很大，因此在流动路径中容易受到障碍和阻力的影响而降低流体的流量和冷却速率。因此在清晰干净且畅通的情况下，自然对流是一种比较有效的冷却方式。一般情况下，电子设备都采用此种冷却方式。
(2)强迫冷却 分为空气和液体两种方式，其中空气冷却形式应用最广泛，通常采用风扇实现强制对流，称为“风冷”，其换热量比自然对流和辐射要大10倍，可以减小电子产品体积。
(3)相变冷却相变过程伴随有大量热量的释放和吸收，采用相变冷却的方法可以对电子设备进行有效的温度控制。利用相变材料的相变过程作为热控制的基本形式有两种：液体的气化和固体的熔化。图7.4.7所示为液体的气化冷却示意图，主要应用于高能量密度的部件或电子器件冷却。
(4)冷却新技术 由于电子产品微小型化趋势，电子制造中热管理技术要求越来越高，要求冷却方法的效率越来越高，冷却器的体积越来越小，传统的冷却方法已经越来越出捉襟见肘。多种冷却新技术，例如热管冷却、半导体（热电）致冷、微通道致冷、热声致冷等高效率、小体积的致冷方法在不断涌现并发展。
4．热控制基本原则 H57V2562GTR-75C
热控制的总原则就是自热源至耗散空间（环境）玄间，提供一条热阻尽可能低的通路。降低热阻的方法，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，也即印制电路板级和整机级的热设计。热控制的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。
1)满足可靠性要求
电子产品热设计是设备可靠性设计的一项重要技术。由于温度与元器件失效率的指数规律，随着温度的升高，失效率迅速增加。因此，在进行热设计时，必须首先了解元器件的热特性，并根据GJB/2299《电子设备可靠性预计手册》提供的元器件有关数据进行可靠性预测，并根据设备工作环境的类别和元器件质量等级等，预测元器件的工作失效率以及设备的可靠性。
高温对大多数电子元器件将产生严重的影响。过应力（电、热或机械应力）容易使元器件过早失效，电应力与热应力之间有着紧密的内在联系，减少电应力（降额）可使热应力相应降低，从而提高其可靠性。
2)满足热环境要求
不同领域电子产品工作热环境相差很大，例如地面用电子设备的热环境包括设备周围的空气温度、湿度、气压和空气流速，设备周围物体的形状和黑度，日光照射等；机载电子设备的热环境包括飞行高度、飞行速度、设备在飞机上的安装位置、右无空调舱、空调空气的温度和流速等。再如为了防止水汽冷凝造成的电气短路或电化学腐蚀等，舰船用的电子设备，应避免在空气的露点温度以下工作；而机载的电子设备，由于飞行高度、温度及湿度变化较大，如果采用强迫空气冷却的方式，要防止潮气充塞设备，应把电子元器件与冷却空气隔离开。
3)适应冷却系统的工作要求
热控制应满足对冷却系统的工作要求。例如对使用的电源（交流或直流及功率）的要求，对振动和噪声的限制，对冷却剂进出口温度的限制及对冷却系统结构（安装条件、密封、体积和质量等）的限制等。
4)可用性与可维护性
由于现代电子设备的安装密度在不断地提高，各种导线不同性能的元器件和零部件对环境因素敏感性不同，且各自的散热量也很不一样。热设计就必须为它们提供一种适当的“微气候”（人为地造成电子设备中局部冷却的气候条件），以保证不管环境条件如何变化，冷却系统都能按预定的方式完成规定的冷却功能，并且具有良好的可维护性。
5)储备与应急能力
系统冷却能力应有一定的储备，即通常所谓留有余地，工程上称为冗余设计，防止有的设备在工作一段时间后，由于工程上的变化，可能会引起热损耗或流体流动阻力的增加，则要求增大其散热能力，以便无需多大的变更就能增加其散热能力。
应急能力指在紧急情况下，保证电子系统具有最基本的冷却措施，关键部件或设备在冷却系统某些部件遭破坏或不工作的情况下，应具备继续工作的能力。
6)高效率与经济性
热管理要根据系统要求、环境温度、允许工作温度、可霏性要求，以及产品尺寸、质量、冷却所需功率、经济性与安全等因素，选择最简单而且高效率的冷却方法，使系统具有良好的经济性。
5．冷却方法的选择
电子产品的热控制，一般从确定元器件或设备的冷却方法开始。冷却方法的选择直接影响整机结构、元器件与部件的组装设计、可靠性、质量和成本等。要有效地控制元器件或设备的温度，必须首先确定它们的发热量、与散热有关的结构尺寸、工作环境条件及其他特殊要求（如密封、气压等）。
冷却方法的选择应与电子线路的模拟试验研究同时进行，它既能满足电气性能的要求，又能满足热可靠性指标的要求。选择冷却方法时，应考虑设备（或元器件）的热流密度、体积功率密度、总功耗、体积、表面积、．工作热环境条件、热沉以及其他特殊条件等。
自然冷却（导热、自然对流和辐射换热的单独作用或两种以上换热形式的组合）的优点是可靠性高、成本低。它不需要通风机或泵之类的冷却剂驱动装置，避免了因机械部件的磨损或故障影响系统可靠性的弊病，是优先考虑的冷却方法。
图7.4.8所示为根据设备的允许温升和热流密度确定冷却方法。由图可见，当温升为60℃时，自然冷却的热流密度小于0.05W/cm2，因此，这种冷却方法不可能提供lW/cm的热流密度，甚至在温升为100℃时也是这样。如果用强迫通风冷却，则传热能力可提高一个数量级。若采用碳氟化合物相变（蒸发）冷却，则可提供相当高的传热能力，且这种冷却剂具有很高的介电特性，可使大多数功率元件直接浸入工作液进行冷却，其热流密度将超过lOW/cm2，而温升却小于10℃。
图7.4.8中仅列出一些常用冷却方法，目前热管、半导体、微通道冷却等新的冷却技术正在发展。例如热管冷却技术，传热性能比相同的金属导热能力高几十倍，且热管两端的温差很小，是一种小体积、高效率的冷却技术。
6．热管理CAE
目前，辅助热设计并验证热设计效果的方法有两种：热测量和热分析。其中热测量能准确地得到温度分布，但必须制作物理样机，通过对真实样机的试验和测量获得改进数据，因而热设计的周期长并且代价较大。热分析又称热模拟，它采用数学手段，在设计初期就能发现产品的热缺陷，从而改进其设计，特别是随着计算机技术的发展，利用电子设计自动化(EDA)和计算机辅助工程(CAE)有关软件进行热分析、热仿真，大大缩短电子产品的开发周期，为提高产品设计的合理性及可靠性提供有力保障。
热分析的基础是计算传热学，分析方法主要有两类：解析法和数值分析法。其中，解析法只能求解一些简单的问题；数值法以离散数学、数值计算为基础，以计算机为工具，能对大虽复杂问题进行求解。数值计算方法主要有有限差分法、有限容积法、有限元素法和边界元法等。热分析的基本内容包括根据工程实际来对模型简化，建立数学模型，求解非线性方程,编制和调试分析程序以及热参数的计算和测量、验证等。作为热设计的基础，热分析是评估热设计好坏的重要手段。
目前，国外许多公司已经开发出了电子产品与系统的热分析软件，并大多已商品化，例如，美国Fluent公司的Icepak软件，英国Flomerics公司的Flotherm软件等。这些专业级软件一般都包括大量的电子元器件和零部件模型、各种风扇库及材料库等，功能比较齐全，可以满足不同领域、不同尺度级别的热分析。例如Icepak软件就包括：
①环境级——机房、外太空等环境级的热分析；
②系统级——电子设备机箱、机柜以及方舱等系统级的热分析；
③板级--PCB板级的热分析；
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