楊 林， 周 堯， 喬衛(wèi)華

(西安航空計(jì)算技術(shù)研究所，陜西 西安 710065)

0 引 言

隨著芯片的集成度越來(lái)越高，功能越來(lái)越強(qiáng)大，基于芯片設(shè)計(jì)的電子模塊集成度也越來(lái)越高，這促使航空電子計(jì)算機(jī)向著集成化、模塊化、小型化的方向發(fā)展，高集成度的航空計(jì)算機(jī)所處的環(huán)境較為惡劣，必須經(jīng)受高溫、低溫、高濕、高鹽霧、強(qiáng)電磁兼容等惡劣環(huán)境考驗(yàn)。特別是高溫環(huán)境，已成為影響航空計(jì)算機(jī)的可靠性的主要因素[1]。有數(shù)據(jù)顯示，電子設(shè)備的失效有55%是由于溫度超過(guò)規(guī)定值而引起的，電子設(shè)備的失效率隨工作溫度成指數(shù)關(guān)系增長(zhǎng)[2]。在整機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師需要在滿(mǎn)足電路功能的前提下，不僅要考慮整機(jī)功耗、重量要求、模塊布局、安裝位置等和熱設(shè)計(jì)相關(guān)的因素，還要考慮振動(dòng)條件、強(qiáng)度剛度要求等方面的因素。此項(xiàng)研究中的加固計(jì)算機(jī)在滿(mǎn)足電路功能，重量要求，試驗(yàn)環(huán)境等前提下，采用合理設(shè)計(jì)，多次仿真迭代，使其散熱性能滿(mǎn)足用戶(hù)要求。

1 加固計(jì)算機(jī)熱設(shè)計(jì)方案

加固計(jì)算機(jī)包括機(jī)箱、母板、PS模塊、MCU模塊、BCU模塊、DLP模塊、MBI模塊、記錄模塊等7個(gè)組件，功能模塊可以達(dá)到LRU(現(xiàn)場(chǎng)可更換單元)級(jí)別。加固計(jì)算機(jī)的外形尺寸為328 mm×194 mm×124 mm(長(zhǎng)×高×寬)，功能模塊由印制板、連接器、拔插組件、鎖緊塊、冷板等組成。機(jī)載電子設(shè)備的散熱方式有自然散熱、強(qiáng)迫風(fēng)冷、液冷等散熱方式。自然散熱方式可靠性高，成本低，不需要額外的供風(fēng)系統(tǒng)，是機(jī)載電子設(shè)備最常采用的散熱方式。由于加固計(jì)算機(jī)的安裝環(huán)境所限，綜合考慮計(jì)算機(jī)的安裝位置、臨近設(shè)備功耗、所處環(huán)境、模塊的功率密度等因素，加固計(jì)算機(jī)采用自然散熱方式進(jìn)行散熱。最終確定加固計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

由于加固計(jì)算機(jī)采用自然散熱方式，相應(yīng)的功能模塊的熱設(shè)計(jì)重點(diǎn)為減小芯片和冷板之間的熱阻，減小冷板和機(jī)箱的熱阻，提高機(jī)箱外表面和空氣的換熱能力。通過(guò)合理增加冷板厚度，增加模塊與機(jī)箱的接觸面積、接觸壓力、增大機(jī)箱的散熱面積等。最終確定功能模塊的結(jié)構(gòu)圖如2所示。

圖1 加固計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)圖 圖2 加固計(jì)算機(jī)典型模 塊結(jié)構(gòu)圖

2 熱仿真分析

2.1 建立模型

加固計(jì)算機(jī)的熱仿真使用FLOTHERM軟件進(jìn)行。一般地，需要對(duì)原始加工模型進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化來(lái)提高運(yùn)算速度，在不影響計(jì)算精度的前提下，對(duì)仿真模型進(jìn)行一系列的簡(jiǎn)化[3]。

(1) 簡(jiǎn)化計(jì)算機(jī)內(nèi)部和外部的圓角、螺紋孔、凸凹特征等對(duì)散熱影響很小的結(jié)構(gòu)特征；

(2) 簡(jiǎn)化計(jì)算機(jī)接線(xiàn)區(qū)、連接器、連接板等對(duì)熱仿真結(jié)果影響較小的無(wú)功耗組裝件；

(3) 簡(jiǎn)化模塊和印制板上的各種修飾特征，如倒角、刻字等；

(4) 簡(jiǎn)化對(duì)仿真結(jié)果影響很小的標(biāo)準(zhǔn)緊固件，如國(guó)標(biāo)螺釘、螺母、彈墊、平墊等。

通過(guò)一系列合理簡(jiǎn)化后得到加固計(jì)算機(jī)的仿真模型如圖3所示。

圖3 加固計(jì)算機(jī)熱仿真模型

2.2 網(wǎng)格劃分

熱仿真網(wǎng)格劃分原則是：翅片間隙內(nèi)網(wǎng)格不少于3個(gè)，整機(jī)網(wǎng)格最大縱橫比小于20，芯片厚度方向網(wǎng)格大于3個(gè)，關(guān)注的重點(diǎn)芯片網(wǎng)格最大縱橫比小于10[4]，同時(shí)，在必要的區(qū)域進(jìn)行適度的網(wǎng)格膨脹，以保證網(wǎng)格過(guò)渡均勻[5]，整機(jī)網(wǎng)格數(shù)量為1 089 774個(gè)。

2.3 熱仿真及優(yōu)化

設(shè)定環(huán)境溫度為70 ℃，采用自然散熱方式進(jìn)行散熱。加固計(jì)算機(jī)機(jī)箱和結(jié)構(gòu)件采用6061鋁合金材料加工，噴涂黑色蒙皮漆。模塊散熱框采用硬鋁材料，電路板基板主要材料為FR4，元器件封裝形式及封裝材料依據(jù)器件手冊(cè)提供。通過(guò)初次仿真，加固計(jì)算機(jī)的最高溫度為112 ℃，整機(jī)和模塊溫度分布圖如圖4、5所示。

圖4 優(yōu)化前整機(jī)溫度 圖5 優(yōu)化前模塊溫度 分布圖 分布圖

較高的模塊溫度無(wú)法滿(mǎn)足用戶(hù)要求，需對(duì)整機(jī)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化措施為：

(1) 調(diào)整模塊與蓋板之間的距離，在模塊與蓋板之間增加導(dǎo)熱墊，保證模塊能夠與蓋板接觸散熱[6]；

(2) 將溫度較高的模塊位置調(diào)整到機(jī)箱溫度相對(duì)較低的插槽內(nèi)，保證溫度高的模塊散熱條件良好[7]；

(3) 采用新型導(dǎo)熱接觸材料，熱導(dǎo)率達(dá)到15 W/m·k，為傳統(tǒng)導(dǎo)熱接觸材料的5倍；

(4) 增加模塊散熱板的厚度，修改模塊與導(dǎo)軌的接觸方式，保證模塊鎖緊安裝筋與機(jī)箱插槽直接接觸，增加傳導(dǎo)散熱量。

通過(guò)以上優(yōu)化措施，經(jīng)過(guò)多次迭代仿真，當(dāng)環(huán)境溫度為70 ℃，整機(jī)最高溫度從112 ℃降為99 ℃，整機(jī)溫度分布更均勻，各模塊溫差更小。整機(jī)和模塊溫度分布圖如圖6、7所示。

圖6 優(yōu)化后整機(jī)溫度 圖7 優(yōu)化后模塊溫度 分布圖 分布圖

3 結(jié) 論

主要探討了某加固計(jì)算機(jī)的熱設(shè)計(jì)與分析，綜合考慮計(jì)算機(jī)功能要求和使用環(huán)境，利用FLOTHERM軟件對(duì)加固計(jì)算機(jī)進(jìn)行仿真，經(jīng)過(guò)多次仿真迭代，得到最優(yōu)的整機(jī)和模塊參數(shù)，使整機(jī)散熱滿(mǎn)足用戶(hù)要求，為其它類(lèi)似機(jī)載計(jì)算機(jī)的熱設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

[1] 邱成悌，趙惇殳，蔣全興,等.電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理[M].南京：東南大學(xué)出版社，2005.

[2] 余建祖，高紅霞，謝永奇.電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)及分析技術(shù)[M].第二版.北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2008.

[3] 楊 林.一種高密度計(jì)算機(jī)熱設(shè)計(jì)和分析[J].機(jī)械工程師，2017(3)：16-17.

[4] 楊 林.某高密度計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析[J].機(jī)械工程師，2015(2)：136-138.

[5] 張婭妮.某機(jī)載電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2013(3)：151-153.

[6] 南 雁.某機(jī)載電子設(shè)備總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].航空計(jì)算技術(shù)，2011(3)：97-100.

[7] 苗 力.軸流風(fēng)機(jī)機(jī)箱散熱結(jié)構(gòu)的仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].發(fā)電與空調(diào)，2012(4)：62-65.