陳明輝,周 瑜,馬士杰,馬 寧
(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三研究所,北京 100015)
近年來(lái),隨著5G、智慧城市、物聯(lián)網(wǎng)等高科技技術(shù)的快速發(fā)展,作為載體的電子設(shè)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(shè)備的熱流密度越來(lái)越高。研究表明,芯片、板卡級(jí)的熱流密度可以達(dá)到100 W·cm-2,而半導(dǎo)體集成電路芯片的工作溫度一般應(yīng)低于100 ℃。如果不采用合理的結(jié)構(gòu)熱設(shè)計(jì),電子元器件及電子設(shè)備的可靠性會(huì)受到嚴(yán)重的影響[1-2]。
目前,在電子設(shè)備的熱設(shè)計(jì)中,熱測(cè)試和熱分析是輔助熱設(shè)計(jì)分析并驗(yàn)證散熱效果的兩種主要常用方法[3]。熱測(cè)試是通過實(shí)驗(yàn)手段得到設(shè)備內(nèi)部的溫度分布情況,需要做出樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),從實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)問題,改進(jìn)后重新制作樣機(jī),再次進(jìn)行實(shí)驗(yàn),這樣循環(huán)往復(fù)直至達(dá)到要求。這種方法耗費(fèi)周期長(zhǎng)、成本高,設(shè)計(jì)代價(jià)和風(fēng)險(xiǎn)較高。熱分析是通過成熟的分析軟件,導(dǎo)入設(shè)計(jì)模型,根據(jù)實(shí)際工況設(shè)置環(huán)境參數(shù),建立邊界條件,最后通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算分析,從而獲得設(shè)備內(nèi)部整個(gè)溫度場(chǎng)的分布情況,設(shè)計(jì)人員根據(jù)仿真結(jié)果進(jìn)行結(jié)構(gòu)上的改進(jìn)從而達(dá)到設(shè)計(jì)要求。這種方法大大縮短了設(shè)備的設(shè)計(jì)周期,降低了研發(fā)成本,提高了設(shè)備工作可靠性[4-5]。
隨著計(jì)算機(jī)與數(shù)值熱傳學(xué)等科技的發(fā)展,仿真技術(shù)日益成熟,其應(yīng)用越來(lái)越多,現(xiàn)已發(fā)展為一個(gè)不可或缺的技術(shù)。目前國(guó)內(nèi)外通常采用熱仿真模擬設(shè)計(jì),得出熱分析結(jié)果,之后結(jié)合實(shí)際工況,對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)以得到滿足要求的產(chǎn)品?,F(xiàn)階段應(yīng)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(duì)顯示控制設(shè)備進(jìn)行仿真計(jì)算。ICEPAK軟件采用Flunt的求解器,在結(jié)構(gòu)散熱分析中具有較大的優(yōu)越性,能夠從芯片級(jí)、板卡級(jí)、部件級(jí)甚至系統(tǒng)級(jí)層面進(jìn)行散熱問題的分析計(jì)算。而與Ansys合并后,它可通過AnsysWorkbench的平臺(tái)完成多物理場(chǎng)的耦合分析,從而大大地拓展其使用范圍[6-7]。
本次研究的樣機(jī)是一個(gè)顯示控制設(shè)備,由機(jī)械結(jié)構(gòu)件、控制電路板及風(fēng)扇組成。采用SolidWorks軟件對(duì)設(shè)備整機(jī)進(jìn)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(jī)三維模型
圖2 樣機(jī)器件堆疊情況
由于此設(shè)備結(jié)構(gòu)尺寸較大,為保證設(shè)備強(qiáng)度,機(jī)械結(jié)構(gòu)件均采用冷軋鋼板進(jìn)行加工。設(shè)備工作時(shí),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(dá)到一個(gè)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 ℃。
設(shè)備結(jié)構(gòu)內(nèi)部熱傳導(dǎo)包括內(nèi)部器件與PCB、PCB與安裝的結(jié)構(gòu)件、各發(fā)熱模塊與安裝面之間的傳熱以及設(shè)備結(jié)構(gòu)件之間因直接接觸而形成的熱傳遞。
式中:λ為導(dǎo)熱系數(shù),單位為W·m-1·K-1;A為垂直于導(dǎo)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。
在設(shè)備結(jié)構(gòu)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(duì)流熱量交換依據(jù)牛頓冷卻公式進(jìn)行計(jì)算。
式中:h為表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)或者對(duì)流換熱系數(shù),單位為W·m-2·K-1;A為對(duì)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(duì)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。
設(shè)備結(jié)構(gòu)的輻射換熱包括設(shè)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(shè)備結(jié)構(gòu)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(jìn)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(guān)。
啟動(dòng)Ansys WH,將SolidWorks中建好后的模型導(dǎo)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(xì)節(jié),之后將簡(jiǎn)化后的模型導(dǎo)入Icepak,如圖3所示。
圖3 Icepak模型
控制機(jī)箱內(nèi)部各發(fā)熱器件及風(fēng)扇如圖4所示。發(fā)熱器件功耗設(shè)置如表1所示。風(fēng)扇特性曲線如圖5所示。
圖5 風(fēng)扇特性曲線
表1 發(fā)熱器件功耗設(shè)置
圖4 發(fā)熱器件
在Icepak中,使用Mesher-HD對(duì)模型做網(wǎng)格劃分處理,對(duì)殼體散熱片部分設(shè)置多級(jí)網(wǎng)格,劃分為2級(jí),如圖6所示。
圖6 網(wǎng)格劃分
放大模型進(jìn)行觀察,模型拼接處網(wǎng)格劃分均勻,無(wú)變形出現(xiàn)。模型整體劃分網(wǎng)格數(shù)量為7 748 412個(gè),為下一步有限元分析提供良好支撐。
設(shè)置流動(dòng)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(shè)置為38 ℃。打開求解基本設(shè)置面板,修改最大迭代步數(shù)及流動(dòng)殘差標(biāo)準(zhǔn),如圖7所示。
圖7 參數(shù)設(shè)置
點(diǎn)擊計(jì)算,得出殘差曲線如圖8所示,殘差在247步時(shí)收斂。
圖8 殘差曲線
查看機(jī)箱內(nèi)部各個(gè)電器部件的溫度分布情況,如圖9所示。
圖9 機(jī)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(gè)電源,最高溫度為67.563 1 ℃,小于當(dāng)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(shè)計(jì)方案是合理的,可以在實(shí)際工況中使用。
本設(shè)備上線兩年多的時(shí)間里,使用情況良好,實(shí)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(shè)備結(jié)構(gòu)三維模型的基礎(chǔ)上對(duì)電子設(shè)備結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析,模擬電子設(shè)備的內(nèi)部溫度場(chǎng)分布情況,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)設(shè)備結(jié)構(gòu)是否滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)的快速驗(yàn)證,使得設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)得以控制,而且省去了設(shè)備樣機(jī)的制作,提高設(shè)計(jì)效率的同時(shí)也降低了成本,同時(shí)也為其他電子設(shè)備的熱仿真分析提供了相關(guān)參考。