杜善亮　王湖皎

摘要：以有線電視網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)監(jiān)控模塊為例，通過(guò)對(duì)其外殼的散熱理論分析和仿真計(jì)算，研究和探討了自然散熱產(chǎn)品的外殼設(shè)計(jì)方法。

關(guān)鍵詞：自然散熱；外殼設(shè)計(jì)；壓鑄；鋁合金；鋅合金

隨著三網(wǎng)融合的推進(jìn)，在廣電傳媒領(lǐng)域，數(shù)字化的新媒體帶來(lái)了一場(chǎng)深刻的革命[1]。有線電視網(wǎng)絡(luò)雙向化數(shù)字化改造是廣電業(yè)占領(lǐng)新的信息產(chǎn)業(yè)版圖的重要實(shí)施舉措。有線帶寬的提高、高清視頻、IP數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)、語(yǔ)音業(yè)務(wù)、數(shù)據(jù)點(diǎn)播等的開展，對(duì)有線電視傳輸設(shè)備提出了更高的要求，熱問題在產(chǎn)品的研發(fā)過(guò)程中越來(lái)越突出，特別是傳輸干路和支路上的野外型和室外型設(shè)備的設(shè)計(jì)研發(fā)。這類設(shè)備以自然散熱為主要散熱途徑，使用環(huán)境復(fù)雜多變，所在的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)歷史較長(zhǎng)，各地運(yùn)營(yíng)商對(duì)設(shè)備的要求和標(biāo)準(zhǔn)也參差不齊，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)方面可變的設(shè)計(jì)條件也有限，所有這些限制因素都增加了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難度，提出了更高的要求。本文以有線電視網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)監(jiān)控模塊（簡(jiǎn)稱DOCSIS 模塊）的設(shè)計(jì)為例，探討了以自然散熱為主的設(shè)備的外殼熱設(shè)計(jì)要素和方法。

1.挑戰(zhàn)和機(jī)遇

DOCSIS模塊是配合DOCSIS網(wǎng)絡(luò)而產(chǎn)生的新模塊，是代替現(xiàn)有HMS應(yīng)答器的產(chǎn)品。該模塊普遍應(yīng)用于CATV傳輸網(wǎng)絡(luò)的光站和放大器設(shè)備中，這些設(shè)備基本都是野外型或是室外型。由于HMS模塊已經(jīng)應(yīng)用在諸多的光站和放大器平臺(tái)中，因此，DOCSIS模塊的外形尺寸和連接器位置都不能改變。但由于DOCSIS模塊功能的極大提升、新的集成芯片的使用，模塊的功耗有成倍的增長(zhǎng)。在有限的空間范圍內(nèi)，模塊熱設(shè)計(jì)遇到了極大的挑戰(zhàn)。

近十年，傳統(tǒng)的鋅、鎂、鋁合金的加工技術(shù)有較快的發(fā)展，導(dǎo)熱材料的熱導(dǎo)率有很大的提升，有限元熱設(shè)計(jì)分析工具更是被廣泛應(yīng)用，這給外殼熱設(shè)計(jì)提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。

2.熱設(shè)計(jì)理論分析

為了達(dá)到理想的散熱效率，將主要發(fā)熱芯片與產(chǎn)品外殼通過(guò)導(dǎo)熱材料相連，從而有效降低從芯片結(jié)到外部空氣的傳熱熱阻。將產(chǎn)品的導(dǎo)熱簡(jiǎn)化成下圖，在此僅討論穩(wěn)態(tài)場(chǎng)產(chǎn)品的散熱：

其中t_j為芯片的結(jié)溫，t_c為芯片的表面溫度，γ是導(dǎo)熱材料的厚度，t_TIM是導(dǎo)熱材料的溫度，δ是外殼設(shè)計(jì)厚度，t_h是外殼的溫度，t_a是模塊工作的外部環(huán)境溫度，h是機(jī)殼表面自然對(duì)流換熱系數(shù)。

穩(wěn)態(tài)場(chǎng)指產(chǎn)品達(dá)到熱平衡時(shí)，各部件的溫度幾乎不變的熱場(chǎng)分布。穩(wěn)態(tài)場(chǎng)性能反應(yīng)了電子產(chǎn)品正常工作情況下的熱學(xué)性能。

t_a為恒定外界溫度，自然散熱條件下表面換熱系數(shù)h為小于10的某一數(shù)值。由（2.4）式，芯片的選型，外殼材料的特性、厚度和表面積的設(shè)計(jì)，導(dǎo)熱介質(zhì)的材料選型、厚度和接觸面設(shè)計(jì)都決定了t_j的值。因此，選用耐溫高、內(nèi)部熱阻低的芯片，選用熱導(dǎo)率高的金屬做外殼，增大外殼有效散熱面積，選用熱導(dǎo)率高、厚度薄的導(dǎo)熱材料做介質(zhì)，設(shè)計(jì)合理的接觸面，能有效避免產(chǎn)品過(guò)熱問題。

輻射換熱效率與自然散熱產(chǎn)品效率相當(dāng)[6]，可以增加表面處理（如噴漆、氧化）來(lái)強(qiáng)化輻射效果，增強(qiáng)自然散熱能力。

3.DOCSIS模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)比較

模塊的外形尺寸限制為 長(zhǎng)×寬×高=78mm ×38mm ×12mm，F(xiàn)PGA芯片大小為長(zhǎng)×寬=23mm ×23mm 。

下表為模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)選項(xiàng)：

設(shè)計(jì)選項(xiàng)1和設(shè)計(jì)選項(xiàng)2比較了不同合金材料的選擇對(duì)產(chǎn)品熱性能的影響；設(shè)計(jì)選項(xiàng)2和設(shè)計(jì)選項(xiàng)3比較了發(fā)熱芯片接觸面積和導(dǎo)熱介質(zhì)對(duì)產(chǎn)品熱性能的影響；設(shè)計(jì)選項(xiàng)3和設(shè)計(jì)選項(xiàng)4比較散熱面積和表面輻射效果對(duì)產(chǎn)品熱性能的影響。

下圖為設(shè)計(jì)選項(xiàng)1和設(shè)計(jì)選項(xiàng)4的設(shè)計(jì)效果圖：

4.仿真結(jié)果比較

使用Flotherm軟件進(jìn)行仿真比較。設(shè)置外部環(huán)境溫度為85°C，模塊總功耗為1.7w，F(xiàn)PGA芯片功耗為0.8w。按下表設(shè)置鋁合金和鋅合金材料的基本參數(shù)。

下表是各條件的仿真結(jié)果。

其中，t_j和t_h與章節(jié)2中對(duì)應(yīng)的芯片結(jié)溫和殼體外表溫度意義一致。

比較設(shè)計(jì)選項(xiàng)1和設(shè)計(jì)選項(xiàng)2的結(jié)果，選用鋁合金比選用鋅合金，F(xiàn)PGA結(jié)溫下降0.23°C，殼體溫度下降0.25°C。結(jié)果顯示，Zmark3和A413散熱能力相當(dāng)。因?yàn)殇\合金比鋁合金具有更好的鑄造性能，能鑄造出更薄的殼體，在PCB布板空間緊張、對(duì)模塊重量不敏感的情況下，選用鋅合金比鋁合金更有優(yōu)勢(shì)。

比較設(shè)計(jì)選項(xiàng)2和設(shè)計(jì)選項(xiàng)3的結(jié)果，增大導(dǎo)熱介質(zhì)和FPGA芯片的接觸面接、選用導(dǎo)熱率更高、更薄的導(dǎo)熱材料，使得FPGA結(jié)溫下降了0.69°C，殼體溫度下降了2.57°C。結(jié)果表明，導(dǎo)熱介質(zhì)的優(yōu)化可以帶來(lái)一定程度的溫度降低。但是熱導(dǎo)率為5w/m.k的導(dǎo)熱介質(zhì)成本是2.5w/m.k的一倍以上，且越薄的導(dǎo)熱介質(zhì)對(duì)產(chǎn)品的加工精度要求更高。因此，在成本和公差允許的情況下，選用更大、更薄、導(dǎo)熱率更高的材料能有效降低芯片結(jié)溫。

比較設(shè)計(jì)選項(xiàng)3和設(shè)計(jì)選項(xiàng)4的結(jié)果，增大表面積和輻射率，使得FPGA結(jié)溫下降了3.08°C，殼體溫度下降了2.01°C。結(jié)果表明，增大表面積和表面輻射率是自然散熱條件下最為有效的降低溫度的方法。而表面涂鍍是增加表面輻射率的有效途徑，它既增加了產(chǎn)品美觀性，又增強(qiáng)了表面耐腐蝕性，缺點(diǎn)是增加了成本。因此，在產(chǎn)品尺寸大小不敏感，成本壓力小，表面要求高的情況下，加強(qiáng)表面處理是解決散熱問題的有效途徑。

綜上所述，導(dǎo)熱率相當(dāng)?shù)匿X合金和鋅合金合金材料對(duì)模塊溫度的影響不大；增大芯片與導(dǎo)熱介質(zhì)的接觸面積，增大導(dǎo)熱材料的熱導(dǎo)率、降低其厚度可以有效降低溫度；增加表面散熱面積，加強(qiáng)表面處理是最有效的提高散熱效率的方法。

5.結(jié)論

自然散熱的電子產(chǎn)品外殼設(shè)計(jì)中，選用耐溫高、內(nèi)部熱阻低的芯片，選用熱導(dǎo)率高的金屬做外殼，增大外殼有效散熱面積，增強(qiáng)表面輻射強(qiáng)度，選用熱導(dǎo)率高、厚度薄的導(dǎo)熱材料做介質(zhì)，設(shè)計(jì)合理的接觸面，能有效避免產(chǎn)品過(guò)熱問題。

參考文獻(xiàn)：

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[6]楊世銘，陶文銓.《傳熱學(xué)》[M].北京，高等教育出版社，1998年.