[發明專利]一種基于田口方法的散熱器優化設計方法

無效

• 申請號: 201210122606.3
• 申請日: 2012-04-24
• 公開（公告）號: CN102646146A
• 公開（公告）日: 2012-08-22
• 發明（設計）人: 李楠;付桂翠;谷瀚天;張棟
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 北京慧泉知識產權代理有限公司 11232
• 代理人: 王順榮;唐愛華

(一)技術領域：

本發明涉及一種航空電子設備大功率電子元器件散熱器優化設計方法，尤其涉及一種基于田口方法的散熱器優化設計方法，它是利用田口方法的參數設計，對大功率電子元器件所選的散熱器參數進行選取，通過綜合權衡散熱器質量以及散熱效果，選取最優的散熱器參數，達到優化的目的，此方法屬于航空電子產品可靠性工程技術領域。

(二)背景技術：

隨著我國航天航空事業的迅速發展，大量電子系統成為武器裝備的主要組成部分，電子設備的可靠性已構成影響武器裝備作戰能力的重要因素。溫度作為武器裝備的重要環境條件，對其可靠性影響顯著。據調查，由熱引起的失效已經占到所有失效原因的55％。同時，對于武器裝備的基本組成單元的電子元器件，其可靠性直接影響了武器裝備的可靠性。研究表明，電子元器件(尤其是半導體芯片)在高溫環境下會引起電參數漂移、加速內部物理化學過程激活潛在缺陷、熱不匹配失效等，這導致了元器件壽命縮短或者是器件被燒毀。另一方面，隨著微電子行業的不斷發展，半導體制造工藝不斷進步，電子元器件高度集成化，大量的大規模、超大規模的集成電路問世并廣泛使用，這極大地提高了電子元器件的發熱功耗。據調查，如今芯片級的熱流密度最高可以達到100W/cm²，僅比太陽表面的熱流密度低兩個數量級。

如何使大功率電子元器件的功耗能夠順利散發成為熱設計和熱分析重點研究的問題。對電子元器件來說，常用的散熱方式主要有散熱器散熱、熱管散熱、微通道散熱等方式。在實際使用中，綜合考慮器件發熱情況、成本、設計流程以及散熱效果等因素，添加散熱器成為了使用最廣泛的散熱方式。事實證明，這種方式能滿足大部分散熱要求。

然而，在航空航天領域，對于大功率電子元器件散熱器的設計，除了需要考慮散熱效果以及散熱器成本之外，散熱器的體積和質量也是評價散熱器設計的重要標準。所以如何能夠對散熱器的尺寸參數進行優化設計，從而達到降低器件溫度和減輕散熱器質量的最佳效果變得尤其重要。在傳統的散熱器設計過程中，更多依靠設計師的經驗，如果成功則繼續使用，如果無法滿足實際需求則在進行更換。這種設計方法有兩大缺點，首先，傳統的方法無法對所選擇的散熱器進行優化，無法保證選擇的散熱器參數是當前條件下的最優情況；其次，傳統的選擇方法具有滯后性，更改設計往往發生在發生功率器件失效之后，帶來設計成本和周期上的浪費。

為了更好的對散熱器進行優化設計，可以采用仿真與田口參數設計相結合的方法。通過對散熱器的相關參數進行實驗設計，然后借助仿真手段對散熱效果(功率器件殼溫)以及散熱器質量進行模擬，通過對仿真結果的分析從而優化散熱器參數，尋求散熱器參數的最優組合。

(三)發明內容：

1、目的：本發明的目的是提供一種基于田口方法的散熱器優化設計方法，該方法便于實施，且可在實現散熱器的最優設計的同時，降低設計成本與縮短設計周期。

2、技術方案：本發明一種基于田口方法的散熱器優化設計方法，它包括如下步驟：

步驟一：選擇可控因素和噪聲因素

可控因素是指可以指定并加以挑選，也就是水平可以認為的加以控制的因素。可控因素是為改進產品質量，減少輸出特性值的波動，以選取最適宜的水平為目的而提出的考察因素。噪聲因素則是指會造成產品質量波動的不可控因素，它們通常包括環境狀況、操作員、材料批次等。

步驟二：設計實驗方案

試驗方案設計的方法主要分為兩大類：一是源于西方的經典實驗方法，主要包括比較試驗、部分因子試驗、響應曲面模型等；二是日本質量管理專家田口玄一博士提出的正交試驗方法。正交試驗是利用“均衡分散性”和“整齊可比性”的正交性原理，挑選具有代表性、典型的試驗點解決多因素問題的一種試驗方法。按照田口參數設計的原理，本發明采用正交試驗設計的方法進行實驗設計。

步驟三：進行實驗

按照上述試驗設計方案——即正交試驗，通過仿真的方法進行實驗，得到每組實驗的響應參數即相應值。本專利申請中，為了衡量散熱器對大功率電子元器件的散熱效果，基于有限體積法，利用FloTHERM軟件對航空電子產品進行仿真分析，即先后通過數字樣機建模、網格劃分、邊界條件設定、求解，可以得到大功率電子元器件的殼溫。為下一步的實驗數據分析工作奠定基礎。

步驟四：實驗結果分析

這一步主要是針對實驗設計方案得到的實驗相應數據即響應參數進行分析。主要內容包括均值分析、信噪比分析、多響應問題優化等。

步驟五：對實驗結果實施田口預測法

根據之前對實驗結果的分析，進行田口預測最優參數組合。