[发明专利]一种基于田口方法的散热器优化设计方法

说明书

(一)技术领域：

本发明涉及一种航空电子设备大功率电子元器件散热器优化设计方法，尤其涉及一种基于田口方法的散热器优化设计方法，它是利用田口方法的参数设计，对大功率电子元器件所选的散热器参数进行选取，通过综合权衡散热器质量以及散热效果，选取最优的散热器参数，达到优化的目的，此方法属于航空电子产品可靠性工程技术领域。

(二)背景技术：

随着我国航天航空事业的迅速发展，大量电子系统成为武器装备的主要组成部分，电子设备的可靠性已构成影响武器装备作战能力的重要因素。温度作为武器装备的重要环境条件，对其可靠性影响显著。据调查，由热引起的失效已经占到所有失效原因的55％。同时，对于武器装备的基本组成单元的电子元器件，其可靠性直接影响了武器装备的可靠性。研究表明，电子元器件(尤其是半导体芯片)在高温环境下会引起电参数漂移、加速内部物理化学过程激活潜在缺陷、热不匹配失效等，这导致了元器件寿命缩短或者是器件被烧毁。另一方面，随着微电子行业的不断发展，半导体制造工艺不断进步，电子元器件高度集成化，大量的大规模、超大规模的集成电路问世并广泛使用，这极大地提高了电子元器件的发热功耗。据调查，如今芯片级的热流密度最高可以达到100W/cm²，仅比太阳表面的热流密度低两个数量级。

如何使大功率电子元器件的功耗能够顺利散发成为热设计和热分析重点研究的问题。对电子元器件来说，常用的散热方式主要有散热器散热、热管散热、微通道散热等方式。在实际使用中，综合考虑器件发热情况、成本、设计流程以及散热效果等因素，添加散热器成为了使用最广泛的散热方式。事实证明，这种方式能满足大部分散热要求。

然而，在航空航天领域，对于大功率电子元器件散热器的设计，除了需要考虑散热效果以及散热器成本之外，散热器的体积和质量也是评价散热器设计的重要标准。所以如何能够对散热器的尺寸参数进行优化设计，从而达到降低器件温度和减轻散热器质量的最佳效果变得尤其重要。在传统的散热器设计过程中，更多依靠设计师的经验，如果成功则继续使用，如果无法满足实际需求则在进行更换。这种设计方法有两大缺点，首先，传统的方法无法对所选择的散热器进行优化，无法保证选择的散热器参数是当前条件下的最优情况；其次，传统的选择方法具有滞后性，更改设计往往发生在发生功率器件失效之后，带来设计成本和周期上的浪费。

为了更好的对散热器进行优化设计，可以采用仿真与田口参数设计相结合的方法。通过对散热器的相关参数进行实验设计，然后借助仿真手段对散热效果(功率器件壳温)以及散热器质量进行模拟，通过对仿真结果的分析从而优化散热器参数，寻求散热器参数的最优组合。

(三)发明内容：

1、目的：本发明的目的是提供一种基于田口方法的散热器优化设计方法，该方法便于实施，且可在实现散热器的最优设计的同时，降低设计成本与缩短设计周期。

2、技术方案：本发明一种基于田口方法的散热器优化设计方法，它包括如下步骤：

步骤一：选择可控因素和噪声因素

可控因素是指可以指定并加以挑选，也就是水平可以认为的加以控制的因素。可控因素是为改进产品质量，减少输出特性值的波动，以选取最适宜的水平为目的而提出的考察因素。噪声因素则是指会造成产品质量波动的不可控因素，它们通常包括环境状况、操作员、材料批次等。

步骤二：设计实验方案

试验方案设计的方法主要分为两大类：一是源于西方的经典实验方法，主要包括比较试验、部分因子试验、响应曲面模型等；二是日本质量管理专家田口玄一博士提出的正交试验方法。正交试验是利用“均衡分散性”和“整齐可比性”的正交性原理，挑选具有代表性、典型的试验点解决多因素问题的一种试验方法。按照田口参数设计的原理，本发明采用正交试验设计的方法进行实验设计。

步骤三：进行实验

按照上述试验设计方案——即正交试验，通过仿真的方法进行实验，得到每组实验的响应参数即相应值。本专利申请中，为了衡量散热器对大功率电子元器件的散热效果，基于有限体积法，利用FloTHERM软件对航空电子产品进行仿真分析，即先后通过数字样机建模、网格划分、边界条件设定、求解，可以得到大功率电子元器件的壳温。为下一步的实验数据分析工作奠定基础。

步骤四：实验结果分析

这一步主要是针对实验设计方案得到的实验相应数据即响应参数进行分析。主要内容包括均值分析、信噪比分析、多响应问题优化等。

步骤五：对实验结果实施田口预测法

根据之前对实验结果的分析，进行田口预测最优参数组合。