楊美娟，曾志華，郝 靖，李澤揚

（廣州航新航空技術(shù)有限公司，廣州 510663）

0 引言

近年來，機載電子產(chǎn)品呈現(xiàn)了高性能、小型化的發(fā)展趨勢[1-2]，這和微電子技術(shù)集成化、高頻化、高功率化的快速發(fā)展密不可分的。當電子核心芯片的工作頻率越來越快時，其功率的損耗越來越大，散發(fā)的熱量也不斷增多，溫度也隨之升高。當元器件的溫度升高到一定程度后，產(chǎn)品的可靠性會急劇下降，研究材料表明，當元器件溫度升高了10 ℃，可靠性就降低50%[3-4]，在各種惡劣環(huán)境下，熱設(shè)計與仿真成為保證機箱可靠性的前提，熱設(shè)計的好壞直接影響電子設(shè)備的可靠性、工作性能以及壽命，解決電子產(chǎn)品的過熱問題已成為當下電子設(shè)備熱設(shè)計技術(shù)范圍的研究熱點，所以在設(shè)計初期就應(yīng)注重設(shè)備的熱設(shè)計[5-6]。

在1960—1970年之間，傳統(tǒng)的熱設(shè)計理論與方法已經(jīng)逐漸形成。但受當時技術(shù)發(fā)展水平的限制，僅能采用經(jīng)驗類推或采用以物理相似理論為基礎(chǔ)的換熱公式進行預估，并與試驗輪換進行完成來整個產(chǎn)品的熱設(shè)計。這種熱設(shè)計方式存在很多缺點，比如僅能進行一些簡單的定性分析，造成熱分析效果較差；另外這種方法設(shè)計時間較長、研究成本也較高，以上缺點制約了電子產(chǎn)品的開發(fā)研究工作，對產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)造成嚴重影響[7]。在這種情況下，以往的熱設(shè)計理念和方法已難以適應(yīng)設(shè)計的需要，要求對電子產(chǎn)品合理科學地進行熱設(shè)計。當前，隨著計算機技術(shù)與數(shù)值計算的發(fā)展，一些新型電子產(chǎn)品熱設(shè)計技術(shù)已逐漸形成，這些技術(shù)以流體力學、傳熱學理論和結(jié)構(gòu)力學作為設(shè)計基礎(chǔ)[8]。

熱設(shè)計的方法主要有類比、試驗和仿真。類比一般是借鑒同類型設(shè)備的熱設(shè)計結(jié)果，但是新研設(shè)備往往沒有可類比的基礎(chǔ)；所以對于新研設(shè)備，在設(shè)計初期一般借用熱仿真軟件進行模擬，F(xiàn)lotherm 軟件仿真分析基于質(zhì)量守恒、動量守恒和能量守恒定律，采用完善的數(shù)值計算法，可以得到和實際十分接近的結(jié)果，有效地反映出電子產(chǎn)品的溫度分布。熱試驗則是在樣機生產(chǎn)出來后，采用熱測試設(shè)備對熱仿真分析出的較高溫度元器件進行測試，從而判定元器件可靠性的另一種熱設(shè)計方法[9-10]。

本文介紹了一種航空電子設(shè)備的熱設(shè)計，采用熱仿真及熱測試兩種方法進行對比分析，來驗證此種機載電子設(shè)備的熱設(shè)計是否合理。熱仿真和熱測試結(jié)果能夠為設(shè)計者提供設(shè)計依據(jù)和參考。

1 機載電子產(chǎn)品結(jié)構(gòu)組成及熱設(shè)計

1.1 殼體基板厚度等參數(shù)的確定

通常，發(fā)熱元器件先將熱量傳遞到外殼基材，基材再通過散熱翅片將熱量散發(fā)到大氣環(huán)境中，所以外殼基材的板厚將直接影響到散熱效果。如果外殼基材太薄，熱量無法有效地傳遞到全部的散熱翅片，散熱翅片不會得到充分的利用，易造成溫度分布不均，局溫過高；殼體基材太厚，不僅增加了產(chǎn)品的重量，也會造成材料的浪費和熱量的積累，從而降低了產(chǎn)品的熱傳導能力[11-13]。

考慮到材料的強度，加工形變和重量的限制，設(shè)備基材在設(shè)計時板厚取1.5 mm，散熱翅片厚度為1 mm，高度為6 mm。

1.2 機載電子設(shè)備結(jié)構(gòu)的組成

用三維軟件對機載電子設(shè)備（以下簡稱“設(shè)備”）進行建模，設(shè)備的組成由圖1所示，主要由框架、前面板組件、接口板、模塊一、模塊三和模塊二等組成。

圖1 設(shè)備外形示意圖

1.3 機載電子產(chǎn)品的熱設(shè)計考慮

為滿足產(chǎn)品在高溫環(huán)境下的工作要求，在功率一定的情況下產(chǎn)品應(yīng)有很好的散熱功能，熱設(shè)計的目標在于控制發(fā)熱元件的溫度，主要方法就是把產(chǎn)品各發(fā)熱部分產(chǎn)生的熱盡量采用熱阻小的途徑快速有效地傳到密封的箱體上，再與外部環(huán)境交換散熱。

此產(chǎn)品設(shè)計為封閉式箱體結(jié)構(gòu)，主要采用自然散熱的形式。模塊一、模塊二上面的發(fā)熱器件均靠側(cè)板一側(cè)布置，利用側(cè)板進行散熱。內(nèi)部板卡發(fā)熱元器件的熱量首先通過熱量傳導傳遞到機箱殼體，再通過輻射換熱、對流方式傳遞到周圍的介質(zhì)中，實現(xiàn)密封機箱的散熱。因此，為使產(chǎn)品在高溫情況下能可靠進行工作，設(shè)計時分別從元器件選型與布局、傳導、輻射、對流散熱的形式考慮，增加散熱性能，主要應(yīng)用了以下幾種方法。

（1）優(yōu)化元器件、板卡熱功耗。

（2）進行合理元器件的布局，使其對氣流的阻力影響最小。元器件布局時，要遵循以下原則：將不發(fā)熱和發(fā)熱量較小的元件布局在冷空氣的上部，耐熱性差的元器件排列在最上方，剩余器件按耐受熱程度，以遞增的順序布局。在不影響產(chǎn)品電性能的前提下，將發(fā)熱大的元器件集中布局在一塊，并采用單獨的散熱方式。

（3）熱傳導能力與材料的導熱系數(shù)、接觸面積、熱傳導路徑的長短有關(guān)。在導熱系數(shù)方面，主要的散熱材料為鋁合金，其導熱系數(shù)為200 W∕（cm·℃），鋁合金的密度小，但強度較高，能滿足航空產(chǎn)品對剛度及重量等的要求。在接觸面積方面，因為發(fā)熱器件與結(jié)構(gòu)件接觸面之間不可能絕對平整，兩者的接觸只發(fā)生在離散的接觸面上，為增加兩者的接觸面積，進一步降低傳遞過程中的熱阻的大小，在需要散熱的元器件與結(jié)構(gòu)件之間貼一層柔性導熱墊，該柔性導熱墊的延展性能好，且導熱系數(shù)高，可以消除元器件與結(jié)構(gòu)件之間的空氣間隙，從而減小元器件和結(jié)構(gòu)件之間的接觸熱阻，使元器件散發(fā)的熱量快速傳遞到殼體上，與外部環(huán)境進行交換散熱，提高導熱能力。

（4）熱輻射以電磁波形式向外發(fā)射能量[12]。產(chǎn)品的表面情況和面積會影響熱輻射效果，一般來說，外表面顏色越深，產(chǎn)品的熱輻射系數(shù)較大。因此產(chǎn)品可通過外殼表面噴黑色無光漆來增加熱輻射能力。

（5）在對流散熱中，主要通過增加散熱部分的面積來提高對流效率，在箱體的外殼采用了散熱翅片設(shè)計，增加產(chǎn)品外殼表面的散熱面積，從而提升機箱的散熱能力和效果。

2 機載電子設(shè)備散熱的仿真分析計算

2.1 輸入條件

通過使用流體仿真軟件Flotherm，對機載振動實時監(jiān)視設(shè)備進行熱仿真分析計算，一般設(shè)備的工作環(huán)境分為常溫和高溫兩種情況，本文對高溫環(huán)境進行驗證，具體的仿真條件如表1所示。

表1 穩(wěn)態(tài)仿真條件

2.2 熱仿真分析及結(jié)果

在使用Flotherm 軟件進行計算之前，需要對仿真模型進行必要的簡化處理，去除不影響計算結(jié)果的屏蔽槽、安裝孔和圓角等特征，忽略連接器、濾波器等發(fā)熱小的器件，最后將簡化的三維模型通過FloMCAD Bridge 模塊導入Flotherm 軟件中。為了模擬設(shè)備的極限工作環(huán)境，熱仿真的環(huán)境溫度按表1輸入，考慮自然空氣對流、傳導和輻射換熱，并設(shè)備模型劃分網(wǎng)格，根據(jù)設(shè)備模型的復雜程度及仿真結(jié)果要求，需合理安排網(wǎng)格的疏密，網(wǎng)格劃分好后進行求解，通過后處理模塊得到各發(fā)熱器件的溫度云圖，結(jié)果如表2所示。

表2 熱分析各模塊結(jié)果

通過軟件提取了各模塊的溫度場分布圖，平臺環(huán)境溫度70 ℃條件下的整機溫度場分布結(jié)果如圖2所示，模塊一溫度場分布結(jié)果如圖3所示，模塊二溫度場分布結(jié)果如圖4所示，模塊三溫度場分布結(jié)果如圖5所示。從表2中可以得知機箱內(nèi)板卡器件最高溫度分布在模塊二上，為88 ℃，其他模塊溫度比較均勻，最高溫度在86 ℃左右，查閱各元器件規(guī)格書，允許最高工作溫度大多數(shù)為105 ℃，大多數(shù)元器件的允許最高工作溫度為125 ℃，故機載振動實時監(jiān)視設(shè)備的熱設(shè)計滿足要求。

圖2 整機溫度場分布

圖3 模塊一溫度場分布

圖4 模塊二溫度場分布

圖5 模塊三溫度場分布

3 機載電子設(shè)備的熱測試

綜合考慮設(shè)備重量和散熱要求，外殼選用6061 鋁板整體銑削加工，外表面先氧化處理后再噴涂黑色無光磁漆。根據(jù)設(shè)計參數(shù)生產(chǎn)出樣機后，并進行相關(guān)驗證性的高溫試驗，對其進行熱測試試驗，詳見下文。

3.1 試驗設(shè)備

TP720多路數(shù)據(jù)記錄儀、高溫試驗箱。

3.2 測試點位置

各測試點如圖6～8所示。

圖6 模塊一測試點示意圖

圖7 模塊二測試點示意圖

圖8 模塊三測試點示意圖

3.3 測試環(huán)境

如圖9所示，設(shè)備放入高溫試驗箱進行試驗，此時溫度設(shè)置在70 ℃，待溫度穩(wěn)定后進行各點溫度測試。

圖9 整機測試環(huán)境示意（高溫）

3.4 試驗結(jié)果

各測試點在高溫70 ℃的溫度曲線如圖10所示，試驗結(jié)果如表3所示。從表中可以得知機箱內(nèi)板卡器件最高溫度為82.97 ℃，元器件最高工作溫度為125 ℃，故機載振動實時監(jiān)視設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足熱設(shè)計要求。

圖10 環(huán)境溫度70 ℃溫度曲線

表3 各測試點溫度信息

4 結(jié)束語

本文通過Flothem軟件，對高溫環(huán)境條件下設(shè)備內(nèi)部發(fā)熱器件的溫度進行了仿真研究，并且通過實際測試進行了驗證。

（1）從熱仿真和熱測試的結(jié)果可以看出，器件的模擬溫度和實測溫度均低于最高工作結(jié)溫，設(shè)備能正常工作。進一步驗證了此機載電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性，即基板厚度取1.5 mm，散熱片厚度為1 mm，高度為6 mm能滿足發(fā)熱器件的散熱需求。

（2）熱測試試驗中，器件的實際溫度比仿真的溫度要低5 ℃，所以如果仿真出來溫度在器件最高允許溫度范圍內(nèi)，實際溫度可以滿足設(shè)計要求。

（3）高溫試驗結(jié)果與仿真結(jié)果接近，為其他電子產(chǎn)品熱仿真分析提供參考依據(jù)。

（4）使用Flotherm 軟件分析與直接進行熱測試試驗相比，能夠更直觀而且快速地模擬出在不同結(jié)構(gòu)形式下發(fā)熱元器件的內(nèi)部溫度，更能準確全面地掌握產(chǎn)品的整個熱分布效果，從而看出各種散熱方案的好壞。這樣可以減少設(shè)備的試制成本，提高設(shè)計的效率，說明了Flotherm軟件在仿真分析方面有良好的實用性。