潘美娜

（上海欣豐電子有限公司，上海200436）

小型通信機(jī)箱的板卡散熱優(yōu)化設(shè)計(jì)

潘美娜

（上海欣豐電子有限公司，上海200436）

小型通信機(jī)箱由于板卡和器件的集成度高，過(guò)熱問(wèn)題比較顯著。由于風(fēng)扇是旋轉(zhuǎn)出流，導(dǎo)致機(jī)箱內(nèi)部流場(chǎng)分布是不均恒，為了改善機(jī)箱的散熱狀況，優(yōu)化NT板卡的布局。NT板上Chip1的高溫問(wèn)題比較突出，希望能夠?qū)⑵浣档偷胶侠淼臏囟确秶Ｓ捎贚T板卡處于流場(chǎng)下游，卡門渦街會(huì)影響板卡的散熱，更改LT板卡上的芯片41，42，43，44的布局，錯(cuò)開(kāi)叉排布置，重新測(cè)試Chip44的溫度，得出最高降低5.72℃.

通信機(jī)箱；板卡；熱分析；優(yōu)化設(shè)計(jì)

電子設(shè)備在生產(chǎn)和生活中得到了廣泛的應(yīng)用。電子設(shè)備的小型化，功能的集成和復(fù)雜化伴隨著電子工業(yè)的發(fā)展而發(fā)展。設(shè)備的體積縮小，而整體功耗和熱量不斷增加，系統(tǒng)內(nèi)部溫度相應(yīng)提高，高溫會(huì)引起元器件失效，導(dǎo)致設(shè)備無(wú)法正常運(yùn)行。研究表明[1]，探究電氣設(shè)備的失效原因，其中55%以上應(yīng)歸咎于溫度過(guò)高，高溫會(huì)損傷電路的連接界面、危及半導(dǎo)體的結(jié)點(diǎn)，增加導(dǎo)體的阻值和形成機(jī)械應(yīng)力損傷。因此，在電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的初期，必須對(duì)元器件的熱特性進(jìn)行分析，合理的優(yōu)化布局板卡上的元器件，從而降低熱損耗，提高散熱效果。

1 機(jī)箱及板卡的物理模型

本文中的小型通信機(jī)箱為2U系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)尺寸（長(zhǎng)、寬、高）為440 mm×240 mm×89 mm，機(jī)箱的進(jìn)出口的打孔板開(kāi)孔率為60%，設(shè)計(jì)成直通風(fēng)。旁邊為風(fēng)扇盤，風(fēng)扇盤選用三個(gè)軸流風(fēng)機(jī)的風(fēng)扇，風(fēng)扇的結(jié)構(gòu)尺寸60 mm×60 mm×25.4 mm.實(shí)際情況中，在室外或者空氣質(zhì)量比較差的環(huán)境，機(jī)箱內(nèi)的器件會(huì)由于灰塵積累影響正常工作，在風(fēng)扇入口設(shè)計(jì)安裝濾網(wǎng)來(lái)防塵。在不同的應(yīng)用場(chǎng)合下，針對(duì)同一款機(jī)箱，不同的客戶會(huì)有不同的配置需求，本文中選取一種典型配置進(jìn)行分析。該配置中，機(jī)箱左半邊從上到下為兩塊結(jié)構(gòu)尺寸為125 mm×220 mm×2 mm的NT板和一個(gè)AC電源，右半邊從上到下為四塊結(jié)構(gòu)尺寸為260 mm×220 mm×2 mm LT板。

2 流場(chǎng)優(yōu)化對(duì)板卡散熱的影響

發(fā)熱量高的芯片在風(fēng)冷時(shí)芯片之間是會(huì)相互影響，為了減小對(duì)散熱的影響，G.I.Sultan提出采用抽氣的方式來(lái)避免漩渦的產(chǎn)生，從而加強(qiáng)芯片的散熱效果[2]。由于風(fēng)扇的旋轉(zhuǎn)岀風(fēng)，導(dǎo)致機(jī)箱中不均勻的流場(chǎng)分布，對(duì)機(jī)箱散熱的影響[3]，為了解決Chip1的發(fā)熱量高問(wèn)題，優(yōu)化NT板的布局，新的優(yōu)化設(shè)計(jì)稱為方案a，NT板新舊布局如圖1所示，利用風(fēng)扇吹出的冷風(fēng)幫助芯片散熱，將NT板中溫度最高的元器件Chip1（虛線方框中）向上移至風(fēng)速大的區(qū)域，增強(qiáng)了Chip1上方散熱器的散熱效率，加速了Chip1周圍的空氣速度，提高了空氣的有效利用率。

圖1 優(yōu)化方案a中NT板的新布局

數(shù)值仿真計(jì)算得出流場(chǎng)的總流量為20.648 5 CFM，變化很小。但是Chip1周圍的空氣擾動(dòng)加強(qiáng)，速度從原來(lái)的0.2 m/s～0.3 m/s提高到1.5 m/s，器件和環(huán)境間的換熱率提高，極大的降低Chip1的溫度。

通過(guò)仿真計(jì)算得出機(jī)箱主要器件的溫度值，見(jiàn)表1所示，NT板上Chip1溫度在經(jīng)過(guò)方案a優(yōu)化后有大幅度降低，尤其是NT2板上Chip1溫度降低了19.8℃，上述對(duì)芯片散熱優(yōu)化布局的分析得到實(shí)驗(yàn)印證，達(dá)到了通過(guò)優(yōu)化加強(qiáng)散熱的預(yù)期目的。測(cè)得板卡上其他元器件溫度升降幅度很小，不超過(guò)1℃，可以忽略不計(jì)。

表1 方案a優(yōu)化后元件溫度的仿真結(jié)果

方案a的應(yīng)用，成功的將Chip1的溫度降到合理的范圍100℃以內(nèi)，對(duì)其他元件的散熱毫無(wú)影響。而Chip44是板卡上溫度最高的元器件，優(yōu)化后的溫度最高為101.7℃.如表1所示。

3 元器件叉排布局對(duì)散熱的影響

方案b是為了能將Chip44溫度降低到合理的范圍，LT板的布局優(yōu)化是考慮將元器件錯(cuò)開(kāi)排布，可以加強(qiáng)對(duì)Chip4的熱擴(kuò)散，增加尾部氣流擾動(dòng)。機(jī)箱中LT板新布局如圖2所示，為了避免上游元器件釋放的熱量就不會(huì)對(duì)下游元器件產(chǎn)生影響，交錯(cuò)排布LT板卡上主要發(fā)熱元器件芯片Chip41，Chip42，Chip43和Chip44，由此，下游元器件避開(kāi)速度真空區(qū)，增強(qiáng)散熱效果。微調(diào)其他元器件的位置為Chip44錯(cuò)開(kāi)排布提供空間，將Chip2和Chip3移到LT板右側(cè)上方，調(diào)整其他發(fā)熱量小和不發(fā)熱的器件的位置。

圖2 優(yōu)化方案b中LT板的新布局

再次模擬仿真得出流場(chǎng)的總流量為20.6643CFM，有所增加。通過(guò)對(duì)原布局和優(yōu)化布局分析，LT2板上Chip44的散熱器速度和溫度分布，結(jié)果發(fā)現(xiàn)Chip44散熱器迎風(fēng)面速度從0.62 m/s提高到0.95 m/s，背風(fēng)面速度從0.35 m/s提高到0.36 m/s.在流線方向上的兩側(cè)的速度從0.61 m/s～0.65 m/s提高到0.74 m/s～1.16 m/s.通過(guò)分析應(yīng)用優(yōu)化布局后，Chip4的迎風(fēng)面速度和側(cè)面速度分別提高52.4%和50.8%，錯(cuò)開(kāi)排布增強(qiáng)了空氣擾動(dòng)，使下游元器件和流體頻繁的對(duì)流換熱，可以直接沖擊芯片空氣范圍加大。同時(shí)，錯(cuò)開(kāi)排布的布局方式令器件表面的層流邊界層被打破，器件表面和周圍環(huán)境不斷的進(jìn)行換熱，加速器件冷卻速度，散熱效果顯著提高，流動(dòng)邊界層重新生成發(fā)展。

Chip44散熱器的迎風(fēng)面溫度從80.3℃降到77.3℃，背風(fēng)面溫度從86.9℃降到82.3℃，流場(chǎng)兩側(cè)沿流線方向的溫度從84.8℃～88.5℃降到74.6℃～82.4℃，迎風(fēng)面的空氣溫度在優(yōu)化布局后降低了3℃，芯片的側(cè)面溫度降低了6～10℃，上游的Chip41，Chip42和Chip43在錯(cuò)開(kāi)排布后發(fā)熱量降低，Chip44周圍的空氣熱度減弱，風(fēng)扇出流的未受熱的空氣直接吹到Chip44上散熱。

通過(guò)對(duì)機(jī)箱的仿真計(jì)算得出主要器件的溫度值，見(jiàn)表2，經(jīng)過(guò)方案a+方案b優(yōu)化后，LT板上Chip44的溫度分別降低5.72℃，5.59℃，3.92℃和3.85℃，驗(yàn)證了兩種方案結(jié)合的優(yōu)化布局的分析，達(dá)到優(yōu)化后溫度要求的結(jié)果。模擬計(jì)算分析發(fā)現(xiàn)Chip3溫度降幅最高達(dá)3.85℃.由于Chip2更靠近入風(fēng)口，環(huán)境溫度較低，溫度有所升高，但仍然控制在98℃以內(nèi)，不會(huì)產(chǎn)生溫升過(guò)高問(wèn)題。測(cè)出板卡上其他元器件的溫度變化在1.6℃以內(nèi)，基本可以忽略不計(jì)。

表2 方案a+方案b優(yōu)化后元件溫度的仿真結(jié)果

經(jīng)過(guò)方案a優(yōu)化后，Chip1周圍的空氣流動(dòng)速度加快，從原來(lái)的0.2～0.3 m/s提高到1.6 m/s，提高了散熱效率，Chip1溫度降低很多，特別是NT2板上Chip1溫度從105.46℃降低到86.79℃，降低了18.67℃.經(jīng)過(guò)方案a和方案b結(jié)合優(yōu)化后，極大地改善了發(fā)熱量高的元件的散熱環(huán)境，四塊LT板上Chip44溫度分別降低5.73℃、5.60℃、3.92℃和3.85℃，降溫幅度比較大。主要發(fā)熱器件的最高限值110℃，而經(jīng)過(guò)優(yōu)化后最高溫度都被控制在98℃以內(nèi)，達(dá)到優(yōu)化布局的預(yù)期效果，并且還存在較大的設(shè)計(jì)余量。

4 結(jié)束語(yǔ)

為了解決小型機(jī)箱中板卡的主要元器件溫度過(guò)高的問(wèn)題，本文提出對(duì)NT板的布局和LT板的布局分別進(jìn)行優(yōu)化的解決方案。利用數(shù)值仿真軟件，模擬分析不同的散熱布局優(yōu)化方案中機(jī)箱內(nèi)部的溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)，得到機(jī)箱內(nèi)主要元件的溫度數(shù)據(jù)。通過(guò)分析對(duì)比，采用合理的優(yōu)化方案?；诖嬖谠O(shè)計(jì)余量的前提，還可以考慮其他方式，比如更換風(fēng)扇盤等來(lái)降低成本，此文不展開(kāi)討論。

根據(jù)阿列紐斯定律[4]，器件環(huán)境溫度每升高10℃時(shí)，失效率就會(huì)增加一個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，在小型通信機(jī)箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，提高電子設(shè)備性能和可靠性設(shè)計(jì)非常重要。對(duì)設(shè)備和元器件的熱特性進(jìn)行仿真和分析，可以避免高溫引起元器件失效，優(yōu)化散熱結(jié)構(gòu)，進(jìn)而達(dá)到有效的熱控制。

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[3]莊駿，張紅．熱管技術(shù)及其工程應(yīng)用[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2000：355-365.

[4]Mark Spencer Cooper，Investigation of Arrhenius acceleration factor for integrated circuit early life failure region with sev eral failure mechanisms[M].IEEE Transaction on components and packaging technologies，2005.

Optimal Design of Board Heat Dissipation for Small Communication Case

PAN Mei-na
（Shanghai Xin Feng Electronics Co.，Ltd.，Shanghai 200436，China）

The small telecom chassis due to the high degree of integration of boards and the devices，the overheating problem is significant.As the fan is rotating out of the flow，resulting in the distribution of the flow field is uneven，in order to improve the chassis cooling conditions，should be optimized the layout of NT board.NT board chip1 high temperature problem is more prominent，hoping to be able to reduce it to a reasonable ranges.Due to LT board in the downstream position，karman vortex street will affect the heat component dissipation，change the layout of Chip41，Chip42，Chip43，Chip44 on LT board.After test，we can conclusion the Chip44 temperature decreases as high as 5.72℃.

communication cabinet；board；thermal analysis；optimization design

TN915.05

A < class="emphasis_bold">文章編號(hào)：1

1672-545X（2017）05-0176-03

2017-02-15

潘美娜（1978－），女，吉林人，工程師，碩士，研究方向：機(jī)械工程。