蘇志強(qiáng)

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十研究所，陜西 西安 710068)

0 引 言

隨著大規(guī)模集成電路的不斷發(fā)展，電子元器件物理極限不斷被打破，電子設(shè)備小型化成為發(fā)展趨勢(shì)，隨之而來(lái)的是設(shè)備的熱流密度越來(lái)越高，而溫度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致電子元器件功能失效，據(jù)統(tǒng)計(jì)有超過(guò)一半的故障是由熱引發(fā)的，并且故障率會(huì)隨溫度升高成指數(shù)式增長(zhǎng)[1-3]。因此，散熱設(shè)計(jì)已成為電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中不得不考慮的一個(gè)重要問(wèn)題。熱設(shè)計(jì)就是通過(guò)合理的散熱方式保障良好的熱環(huán)境，以確保電子設(shè)備可靠地工作。目前常用的熱設(shè)計(jì)方法是借用ANYSY Icepak軟件對(duì)設(shè)備的散熱能力進(jìn)行仿真分析，可有效避免傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中通過(guò)經(jīng)驗(yàn)預(yù)估帶來(lái)的精度低、周期長(zhǎng)等缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)人員只需通過(guò)建立熱仿真模型、輸入邊界條件即可仿真模擬出設(shè)備的各部分溫度，為后續(xù)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，根據(jù)總體單位裝機(jī)尺寸要求需對(duì)設(shè)備進(jìn)行小型化設(shè)計(jì)，小型化必然導(dǎo)致單位面積上的熱量增加，因此選用合適的散熱結(jié)構(gòu)成為該設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[4]。本文以該小型化設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為例，詳細(xì)闡釋Icepak在熱仿真分析中的具體應(yīng)用。

1 電子設(shè)備熱分析計(jì)算

1.1 設(shè)備組成

受輸入設(shè)備安裝空間約束，并充分考慮減重及熱環(huán)境要求，設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)緊湊型的小型化端機(jī)，如圖1所示。該設(shè)備外形尺寸為寬×高×深=110 mm×194 mm×270 mm，主要由射頻模塊和數(shù)字模塊兩部分組成，兩部分采用拼裝式結(jié)構(gòu)組合為一體化端機(jī)。機(jī)身整體采用5A06材料，并采用密封結(jié)構(gòu)以提高端機(jī)的環(huán)境適應(yīng)性。設(shè)備內(nèi)部電路板利用螺釘固定在側(cè)壁上，并將電路板上主要發(fā)熱器件貼在側(cè)壁上。

圖1 設(shè)備的組成結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 熱設(shè)計(jì)要求

已知該設(shè)備的總熱耗為65.5 W，計(jì)算設(shè)備的表面熱流密度約為0.032 W/cm2。設(shè)備內(nèi)部元器件許用結(jié)溫需要控制在110 ℃以內(nèi)。因此，為保證設(shè)備在+45 ℃環(huán)境溫度下正常工作，最大允許溫升為65 ℃。按圖2所示的熱流密度、溫升選擇冷卻方法可初步確定該設(shè)備采用自然冷卻的散熱方式。通過(guò)“元器件→導(dǎo)熱硅膠→冷板(箱壁)→周圍環(huán)境”這條散熱途徑有效地將元器件產(chǎn)生的熱量傳至外部環(huán)境。

圖2 按熱流密度、溫升選擇冷卻方法[5]

自然散熱一般包括傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射3種熱量交換方式[6]。為增強(qiáng)該設(shè)備的自然散熱能力，從以下幾個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)：(1)盡可能降低傳熱路徑上各環(huán)節(jié)熱阻，形成一條低熱阻通路，如用導(dǎo)熱系數(shù)高的導(dǎo)熱墊；(2)提高殼體向外傳熱能力，包括提高殼體外表面的黑度以增強(qiáng)輻射效率，在殼體兩側(cè)增加散熱齒以增大散熱面積等。下面可通過(guò)Icepak熱分析軟件來(lái)驗(yàn)證散熱方式及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。

2 基于Icepak的散熱仿真

熱仿真的目的是在設(shè)備工作的環(huán)境溫度下，根據(jù)設(shè)定的環(huán)控條件，通過(guò)仿真軟件迭代計(jì)算，確定各模塊的最高溫度是否超過(guò)元器件溫度許用值。主要仿真步驟如圖3所示。

圖3 基于Icepak的熱仿真流程

2.1 熱仿真

首先通過(guò)UG平臺(tái)進(jìn)行設(shè)備三維模型的建立，利用Icepak熱仿真軟件依次實(shí)現(xiàn)模型的網(wǎng)格劃分、參數(shù)設(shè)置、計(jì)算、求解。為了提高計(jì)算速率，將模型導(dǎo)入Icepak之后需要對(duì)設(shè)備的UG模型進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，去除所有螺釘孔、倒角、圓角，保證設(shè)備各部分表面光滑平齊，去掉尺寸較小的孔、凸臺(tái)、圓角；刪除所有與熱分析無(wú)關(guān)的連接件(如螺釘、連接器、電纜等)，保留主要散熱部件，建立如圖4所示的熱仿真模型。

圖4 熱仿真模型

設(shè)備殼體材料設(shè)定為Al，印制板采用FR4，其余器件、芯片等根據(jù)實(shí)際情況賦予相應(yīng)材料參數(shù)。網(wǎng)格劃分采用Mesher-HD六面體占優(yōu)網(wǎng)格，網(wǎng)格單元數(shù)為285 168。通過(guò)網(wǎng)格質(zhì)量檢驗(yàn)，完成單元網(wǎng)格劃分，設(shè)定初始工況參數(shù)如表1所示。

2.2 仿真結(jié)果分析

經(jīng)過(guò)軟件迭代計(jì)算，得出設(shè)備在不同條件下的溫度云圖。在環(huán)境溫度為25 ℃條件下的仿真結(jié)果如圖5和圖6所示，增加散熱齒可降低6.2 ℃溫升，從而驗(yàn)證了外表面增加散熱齒有利于設(shè)備散熱。在環(huán)境溫度45 ℃條件下的溫度云圖如圖7所示，設(shè)備最高溫度為106.9 ℃，滿足元器件耐溫要求，表明產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，熱功耗可以有效散到周圍環(huán)境中，能夠滿足系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性要求。

表1 仿真參數(shù)設(shè)置

圖5 仿真結(jié)果云圖(無(wú)散熱齒，環(huán)境溫度25 ℃)

圖6 仿真結(jié)果云圖(有散熱齒，環(huán)境溫度25 ℃)

圖7 仿真結(jié)果云圖(環(huán)境溫度45 ℃)

3 結(jié)束語(yǔ)

本文闡述了某電子設(shè)備散熱設(shè)計(jì)過(guò)程，通過(guò)ANSYS Icepak熱分析平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了電子設(shè)備的熱仿真分析，以驗(yàn)證初期通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式選擇的散熱方式的合理性，從而減少了設(shè)計(jì)到生產(chǎn)、再設(shè)計(jì)再生產(chǎn)循環(huán)，縮短了產(chǎn)品的研發(fā)周期，為其他電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。