湖北三江航天紅峰控制有限公司 渠向東 陳竹寧 王浩州 王紅平 丁 俊

某處理機的熱設(shè)計仿真與試驗分析

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本文通過對某處理機的散熱分析，選擇了最優(yōu)的散熱材料和散熱路徑，并采用FloTHERM熱分析軟件進行了仿真分析，最后通過模擬試驗來驗證設(shè)計的正確性，表明處理機的散熱結(jié)構(gòu)形式能夠滿足產(chǎn)品的技術(shù)要求，不僅可以指導(dǎo)實際生產(chǎn)、試驗，而且為同類型的結(jié)構(gòu)熱設(shè)計、熱分析和熱試驗提供了重要參考。

處理機； FloTHERM ；仿真分析； 熱設(shè)計

1 引言

隨著電子產(chǎn)品和電子元器件小型化、集成化程度越來越高，導(dǎo)致其熱流密度越來越大，而電子產(chǎn)品和電子元器件的失效與其工作溫度有很密切的關(guān)系。熱設(shè)計的目的是控制電子產(chǎn)品內(nèi)部熱流密度較高且溫度影響其可靠性的電子元器件，保證該電子產(chǎn)品在工作環(huán)境下能正?？煽康毓ぷ鱗1]。

因此，對電子產(chǎn)品進行熱分析仿真并根據(jù)分析情況進行熱試驗是結(jié)構(gòu)熱設(shè)計的主要內(nèi)容之一。

2 處理機的結(jié)構(gòu)布局

某處理機由箱體、電源和3塊板卡組成，如圖1所示。電源為整體模塊，板卡1-3是根據(jù)相關(guān)的標準設(shè)計，均分為母板與子板對扣在一起并固定在支架板上，通過支架板將熱量傳遞到機箱上。

圖1 處理機結(jié)構(gòu)布局

3 熱設(shè)計輸入

在傳熱學(xué)中，熱傳遞有三種基本方式：傳導(dǎo)、對流和輻射[2]。結(jié)構(gòu)熱設(shè)計的首先任務(wù)是根據(jù)發(fā)熱元器件的熱密度和熱阻選擇主要的散熱方式和散熱通道，其中散熱方式主要有：自然對流、傳導(dǎo)、強迫液冷、強迫風(fēng)冷、相變技術(shù)、冷板技術(shù)和熱管技術(shù)等。由于該處理機工作環(huán)境的特殊性，受結(jié)構(gòu)形式和安裝位置的限制，只能采用傳導(dǎo)冷卻方式散熱，其主要導(dǎo)熱通道是元器件→導(dǎo)熱墊→支架板→楔形鎖緊塊→箱體導(dǎo)向槽→箱體。

為滿足處理機的散熱、輕量化、強度和剛度要求，通過對不同材料的對比分析，選定導(dǎo)熱墊的導(dǎo)熱系數(shù)為3W/(m·K)，支架板的材料為6063-T6鋁合金，箱體的材料為6061-T6鋁合金。為擴大散熱面積，箱體外表面設(shè)計有鋸齒形翅片，同時考慮到輻射散熱，外表面進行了黑色陽極氧化處理，要求黑度大于0.8。

圖2 功率器件布局

熱設(shè)計輸入及要求：

初始環(huán)境溫度為45℃，6分鐘內(nèi)環(huán)境溫度升到60℃；

處理機放置在該環(huán)境內(nèi)，溫度升到60℃后開始工作，工作時間為6分鐘；

元器件工作溫度要求不大于100℃；

處理機滿載時總功率約133W，主要功率器件分布位置如圖2所示，器件功率分布如表1所示。

表1 器件功率分布

4 仿真分析及結(jié)果

仿真采用瞬態(tài)分析法，初始環(huán)境溫度設(shè)置為45℃，6分鐘內(nèi)上升到60℃，各板卡開始工作，時間為6分鐘。

仿真模型建立后，采用middle方法劃分整體網(wǎng)格，零件與零件接觸處及功率器件處的網(wǎng)格局部加密處理，如圖3所示。

圖3 處理機網(wǎng)格劃分

FloTHERM分析結(jié)果可以通過云圖方式輸出[3]，圖4為軟件求解之后得到的各功率器件溫度云圖，表2為各功率器件的溫度。

5 試驗驗證

為真實模擬處理機工作時的環(huán)境溫度，將處理機放置在溫箱中，通過溫箱的溫度設(shè)置來實現(xiàn)環(huán)境溫度的變化，并按照實際器件功率及尺寸定制了專門的模擬芯片、印制板及零件來模擬產(chǎn)品實際工作狀態(tài)。將溫度傳感器貼在模擬芯片中心位置進行溫度采集，結(jié)果如表3所示。

6 結(jié)論

圖4 功率器件云圖

通過對仿真數(shù)據(jù)和試驗數(shù)據(jù)的對比分析，結(jié)果相差不大于3℃，且均沒有超過100℃，表明處理機的散熱結(jié)構(gòu)形式能夠滿足產(chǎn)品的技術(shù)要求，不僅驗證產(chǎn)品熱設(shè)計的可行性，同時也驗證了仿真結(jié)果可以指導(dǎo)實際生產(chǎn)、試驗，為后續(xù)相關(guān)產(chǎn)品熱設(shè)計、熱分析和熱試驗提供了重要參考。

[1]國防科學(xué)技術(shù)委員會.GJB/Z27-1992電子設(shè)備可靠性熱設(shè)計手冊[S].1992

[2]余建祖,高紅霞,謝永奇.電子設(shè)備熱設(shè)計及分析技術(shù)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2008.11.

[3]李波.FloTHERM軟件基礎(chǔ)與應(yīng)用實例[M].北京:中國水利水電出版社,2014.05.

表2 功率器件溫度

表3 發(fā)熱片實測溫度