關于熱疲勞、熱分析、熱疲勞可靠性分析的專業技術知識介紹

高低溫濕熱試驗箱產品規格：SEH-190CE表示低溫度0℃ / CR表示低-20℃ / CL表示低-40℃ / CS表示低-70℃

熱疲勞
金屬材料由于溫度梯度循環引起的熱應力循環（或熱應變循環），而產生的疲勞破壞現象，稱為熱疲勞。
 
產生原因
金屬零件在高溫條件下工作時，其環境溫度并不恒定，而有時是急劇反復變化的。由此造成的膨脹和收縮若受到約束時，在零件內部就會產生熱應力（又稱溫差應力）。溫度反復變化，熱應力也隨著反復變化，從而使材料受到疲勞損傷。
塑性材料抗熱應變的能力較強，故不易發生熱疲勞。相反，脆性材料抗熱應變的能力差，熱應力容易達到材料的斷裂應力故易受熱沖擊而破壞。
 
特征
（1）典型的表面疲勞裂紋呈龜裂狀。
（2）裂紋走向可以是沿晶型的，也可以是穿晶型的；一般裂紋端部較尖銳，裂紋內有或充滿氧化物。
（3）宏觀斷口呈灰色，并為氧化物覆蓋。
（4）裂紋源于表面，裂紋擴展深度與應力、時間及溫差變化相對應。
 
影響因素
（1）環境的溫度梯度及變化頻率越大越易產生熱疲勞。
（2）熱膨脹系數不同的材料組合時，易出現熱疲勞。
（3）晶粒粗大且不均勻，易出現熱疲勞。
（4）晶界分布的第二相質點對熱疲勞的產生，具有促進作用。
（5）材料的塑性差，易出現熱疲勞。
（6）零件的幾何結構對金屬的膨脹和收縮的約束作用大，易出現熱疲勞。
 
熱分析
  熱分析，又稱熱模擬，是利用數學手段，在電子產品的設計階段獲得溫度分布的方法，它可以使電子產品設計人員和可靠性設計人員在設計初期就能發現產品的熱缺陷，從而改進其設計，為提高產品設計的合理性及可靠性提供有力保障。
 
熱分析需建立電子產品溫度場和流場的數學模型，并對其求解，由于求解的復雜性，熱分析大都采用軟件來完成。國外有很多公司已經開發了電產品熱分析軟件，并且大多數已經商品化。應用軟件進行熱分析的基本步驟為：
（a）根據或設計要求建立熱分析模型，確定邊界條件；
（b）劃分網格，進行計算，迭代直到收斂為止；
（c）后處理，以報表、圖形或動畫的形式觀察溫度場。
熱分析軟件雖能較準確的獲得溫度場的分布，但在應用過程中可能存在建模不合理，輸入參數的不準確等原因而導致熱分析誤差較大，不能滿足工程要求。
 
熱分析CAE工具實施要點
（1）建模
熱分析模型建立的不準確，會導致較大的熱分析誤差，不能滿足工程要求。對于準確的模型，如果過于復雜，又會占用大量的計算機資源和計算時間；如果過于簡單，則計算結果可能會忽略大量的細節，而達不到分析的目的。
建模的策略是由重要到次要，由簡單到復雜。即從重要的入手，比如確定整體布局，對壁、外殼、開孔、功耗、電路板等進行建模；在這基礎上，再加入其它較重要的影響因素，比如器件的布局與建模，外殼與外界的熱交換等等；對重點分析部位進行詳細建模（例如對關鍵發熱元器件進行三維詳細建模）；對于次要因素，進行粗略建模，甚至忽略掉（例如對于發熱很小或不發熱的元器件）。
（2）輸入參數的確定
輸入參數的準確與否，極大地影響著熱分析結果。輸入參數主要包括材料的熱傳導率、元器件的熱功耗、初始條件等等，其中傳導率等可通過查工程熱設計手冊、實驗或反復修正來得到，初始條件可通過測量得到，熱功耗可以通過查產品手冊或電路仿真的方法得到。
（3）網格劃分技術
    劃分網格的多少在一定程度上影響著熱分析的結果，通常網格劃分的越多，則計算精度越高，但網格過多計算時間將過長，而精度得不到明顯的提高。因此應靈活運用網格劃分技術，在重要部位（如溫度梯度高的位置，芯片位置等）進行局部加密，在不規則形狀處采用非結構化網格。
 
應用示例
作為一個示例，采用某熱分析軟件對一個板級電路進行熱分析。
（1）建立熱分析模型
（2）設置電路板的屬性
 在電路板的屬性菜單設置電路板的幾何尺寸、層的厚度和電路板中金屬部分的傳導率（例如銅的傳導率為388W/m.K）等參數。
（3）輸入參數
 如是穩態熱分析，初始條件可設為0，如不是穩態分析，可設置開始時刻的溫度值；設置每個器件的功耗；器件的熱傳導率，對于詳細建模的器件還應分別輸入其金屬部分的熱傳導率和非金屬部分的熱傳導率；電路板的工作環境條件，包括電路板在機箱中的位置、空氣流動情況、鄰近電路板或機箱壁的熱效應等。
（4）劃分網格
 進入網格劃分菜單，選擇相鄰網格間的寬度和高度，計算機自動劃分網格。
（5）查看分析結果
 進入后處理菜單，可選擇多種查看結果的方法。例如溫度分布圖，溫度梯度分布圖，等溫圖等。
熱疲勞可靠性仿真分析
 熱疲勞可靠性分析是熱疲勞分析與可靠性分析的一體化，在分析時，很多情況下難以直接建立應力、應變、位移等與載荷、材料、結構尺寸的關系，往往需要借助熱分析CAE工具進行分析，這種情況下反映為功能函數與基本隨機變量的關系是隱式的。

從可靠度計算的角度分析，模擬法和響應面法一般只需要獲得功能函數在給定樣本點的值，這些值可以借助熱分析CAE工具分析獲得，再對結果進行統計來計算可靠度；一次可靠度法不僅需要計算功能函數的值，還需要獲得功能函數關于隨機向量的梯度。

利用熱分析CAE工具進行可靠性仿真計算，必須解決以下2個問題：
（1）可靠度計算程序對熱分析CAE軟件的封裝和調用，以實現功能函數值的計算；
（2）梯度的計算，這可以在獲得功能函數值的基礎上采用有限差分法計算。
因此關鍵是實現利用熱分析CAE工具實現功能函數值的計算。

有兩種實現可靠性仿真計算的思路：抽樣仿真和迭代仿真。