陳明輝，周 瑜，馬士杰，馬 寧

（中國電子科技集團公司第三研究所，北京 100015）

0 引 言

近年來，隨著5G、智慧城市、物聯(lián)網(wǎng)等高科技技術的快速發(fā)展，作為載體的電子設備也在朝著高速度、高密度及小型化的高度集成方向發(fā)展，電子設備的熱流密度越來越高。研究表明，芯片、板卡級的熱流密度可以達到100 W·cm-2，而半導體集成電路芯片的工作溫度一般應低于100 ℃。如果不采用合理的結(jié)構熱設計，電子元器件及電子設備的可靠性會受到嚴重的影響[1-2]。

目前，在電子設備的熱設計中，熱測試和熱分析是輔助熱設計分析并驗證散熱效果的兩種主要常用方法[3]。熱測試是通過實驗手段得到設備內(nèi)部的溫度分布情況，需要做出樣機進行實驗，從實驗發(fā)現(xiàn)問題，改進后重新制作樣機，再次進行實驗，這樣循環(huán)往復直至達到要求。這種方法耗費周期長、成本高，設計代價和風險較高。熱分析是通過成熟的分析軟件，導入設計模型，根據(jù)實際工況設置環(huán)境參數(shù)，建立邊界條件，最后通過計算機進行計算分析，從而獲得設備內(nèi)部整個溫度場的分布情況，設計人員根據(jù)仿真結(jié)果進行結(jié)構上的改進從而達到設計要求。這種方法大大縮短了設備的設計周期，降低了研發(fā)成本，提高了設備工作可靠性[4-5]。

1 熱分析技術

隨著計算機與數(shù)值熱傳學等科技的發(fā)展，仿真技術日益成熟，其應用越來越多，現(xiàn)已發(fā)展為一個不可或缺的技術。目前國內(nèi)外通常采用熱仿真模擬設計，得出熱分析結(jié)果，之后結(jié)合實際工況，對結(jié)構進行優(yōu)化設計以得到滿足要求的產(chǎn)品?，F(xiàn)階段應用比較廣泛的熱分析軟件有Flotm、Algor及Icepak等，本文選用Icepak軟件對顯示控制設備進行仿真計算。ICEPAK軟件采用Flunt的求解器，在結(jié)構散熱分析中具有較大的優(yōu)越性，能夠從芯片級、板卡級、部件級甚至系統(tǒng)級層面進行散熱問題的分析計算。而與Ansys合并后，它可通過AnsysWorkbench的平臺完成多物理場的耦合分析，從而大大地拓展其使用范圍[6-7]。

2 設備建模

本次研究的樣機是一個顯示控制設備，由機械結(jié)構件、控制電路板及風扇組成。采用SolidWorks軟件對設備整機進行建模，其三維模型如圖1所示，內(nèi)部電氣部件堆疊情況如圖2所示。

圖1 樣機三維模型

圖2 樣機器件堆疊情況

由于此設備結(jié)構尺寸較大，為保證設備強度，機械結(jié)構件均采用冷軋鋼板進行加工。設備工作時，內(nèi)部器件持續(xù)產(chǎn)生熱量并在箱體內(nèi)累積，直至與外界的熱交換達到一個穩(wěn)定的狀態(tài)。其中，三塊PCB板卡的核心芯片使用溫度不可超過90 ℃，三塊電源的最高使用溫度不超過75 ℃。

3 傳熱類型

3.1 熱傳導

設備結(jié)構內(nèi)部熱傳導包括內(nèi)部器件與PCB、PCB與安裝的結(jié)構件、各發(fā)熱模塊與安裝面之間的傳熱以及設備結(jié)構件之間因直接接觸而形成的熱傳遞。

式中：λ為導熱系數(shù)，單位為W·m-1·K-1；A為垂直于導熱方向的截面面積，單位為m2；為溫度梯度矢量，單位為K·m-1；φ為熱流量，單位為W；q為熱流密度，單位為W·m-2。

3.2 對流換熱

在設備結(jié)構內(nèi)部，空氣流過固定的表面，由于溫度不同，引起熱量交換。對流熱量交換依據(jù)牛頓冷卻公式進行計算。

式中：h為表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)或者對流換熱系數(shù)，單位為W·m-2·K-1；A為對流換熱面積，單位為m2；Δt為固體壁面溫度tw與流體溫度tf之差的絕對值，Δt大于零，保證熱流量φ或熱流密度q取得正值，單位為K。

3.3 輻射換熱

設備結(jié)構的輻射換熱包括設備內(nèi)部各組成部分之間由于溫度的差異引起的輻射換熱和設備結(jié)構殼體與外界的輻射換熱。輻射熱量采用斯蒂芬-玻爾茲曼定律進行修正：

式中：ε為輻射黑度或者發(fā)射率，是物體輻射能力與同溫度的黑體輻射能力之比，其值小于1，且與物體種類、溫度及表面的狀況等有關。

4 仿真分析

4.1 模型導入

啟動Ansys WH，將SolidWorks中建好后的模型導入WH，并在DM中做處理，略掉螺釘、螺母、倒角、圓角及安裝孔等不影響熱流路徑的局部細節(jié)，之后將簡化后的模型導入Icepak，如圖3所示。

圖3 Icepak模型

4.2 設定邊界條件

控制機箱內(nèi)部各發(fā)熱器件及風扇如圖4所示。發(fā)熱器件功耗設置如表1所示。風扇特性曲線如圖5所示。

圖5 風扇特性曲線

表1 發(fā)熱器件功耗設置

圖4 發(fā)熱器件

4.3 網(wǎng)格劃分

在Icepak中，使用Mesher-HD對模型做網(wǎng)格劃分處理，對殼體散熱片部分設置多級網(wǎng)格，劃分為2級，如圖6所示。

圖6 網(wǎng)格劃分

放大模型進行觀察，模型拼接處網(wǎng)格劃分均勻，無變形出現(xiàn)。模型整體劃分網(wǎng)格數(shù)量為7 748 412個，為下一步有限元分析提供良好支撐。

4.4 設置求解參數(shù)并計算

設置流動方式為湍流，模型選擇零式方程，重力方向選擇-Y向，環(huán)境溫度設置為38 ℃。打開求解基本設置面板，修改最大迭代步數(shù)及流動殘差標準，如圖7所示。

圖7 參數(shù)設置

點擊計算，得出殘差曲線如圖8所示，殘差在247步時收斂。

圖8 殘差曲線

4.5 結(jié)果分析

查看機箱內(nèi)部各個電器部件的溫度分布情況，如圖9所示。

圖9 機箱內(nèi)部溫度分布情況

從圖9的溫度分布圖可以看出，溫度最高的器件為兩個電源，最高溫度為67.563 1 ℃，小于當前電源的溫度使用溫度75 ℃及芯片的工作溫度90 ℃，證明此熱設計方案是合理的，可以在實際工況中使用。

5 結(jié) 語

本設備上線兩年多的時間里，使用情況良好，實際使用情況印證了仿真結(jié)果是可靠的，也證明了在建立電子設備結(jié)構三維模型的基礎上對電子設備結(jié)構進行計算分析，模擬電子設備的內(nèi)部溫度場分布情況，可以實現(xiàn)對整個設備結(jié)構是否滿足設計目標的快速驗證，使得設計風險得以控制，而且省去了設備樣機的制作，提高設計效率的同時也降低了成本，同時也為其他電子設備的熱仿真分析提供了相關參考。