電子設(shè)備模塊熱設(shè)計優(yōu)化

劉新博

（中國電子科技集團公司 第二十研究所，陜西 西安710068）

1 電子設(shè)備結(jié)構(gòu)形式

機載電子設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計由原先的積木式逐漸轉(zhuǎn)變成模塊插拔式的形式。 這種新的結(jié)構(gòu)形式使機載設(shè)備的整體結(jié)構(gòu)分明，模塊化集成度更高，同時也提高了設(shè)備各模塊的通用性和互換性。 其結(jié)構(gòu)形式主要由四部分組成：前蓋、殼體、模塊和后蓋。 前蓋中安裝前面板接插件的轉(zhuǎn)接板和與轉(zhuǎn)接板對接的PIM 板， 殼體前端裝有和PIM 板對接的母板，各模塊通過殼體中的導(dǎo)槽與母板對接。 這種結(jié)構(gòu)形式的電子設(shè)備，雖然具有很多優(yōu)點，但這些優(yōu)點也帶來了一個在設(shè)計上必須全面細致考慮的問題——設(shè)備的散熱問題。

2 熱設(shè)計特點

設(shè)備的散熱方式比較常見的有自然散熱和強迫冷卻兩種方式，自然散熱的途徑有熱傳導(dǎo)、自然對流和熱輻射三種，強迫冷卻的途徑主要有強迫風(fēng)冷和強迫液冷兩種。相比較而言強迫冷卻要比自然散熱的散熱效果好很多。但由于裝載平臺對設(shè)備本身的要求以及設(shè)備在使用過程中所處的環(huán)境條件，比如海上或南方濕熱地區(qū)，這種結(jié)構(gòu)機箱設(shè)計成完全密封的形式， 因此設(shè)備自身的散熱方式只能采用自然散熱。加之對設(shè)備重量和體積的嚴(yán)格要求使得設(shè)備的模塊以及電子元器件的密度很高，又給設(shè)備的散熱增加了困難。

這種設(shè)備在熱設(shè)計的過程中， 印制板上的發(fā)熱器件是發(fā)熱源，散熱傳導(dǎo)途徑的終點是設(shè)備殼體，所以設(shè)備殼體被設(shè)計成設(shè)備上最大的散熱器，殼體的表面加工有散熱槽。 設(shè)備唯一有效的散熱方式就是將設(shè)備模塊中發(fā)熱器件的熱量以盡可能短的路徑傳導(dǎo)到殼體上來，也就是降低熱阻，并在散熱路徑中設(shè)計散熱裝置，比如模塊上安裝冷板。模塊上的熱量通過模塊上下兩側(cè)邊與設(shè)備殼體導(dǎo)向槽的接觸面來傳導(dǎo)

3 存在的問題

電子設(shè)備的模塊如圖1 所示。

圖1 模塊結(jié)構(gòu)圖

模塊由冷板、殼體、印制板和鎖緊機構(gòu)組成。模塊由殼體中的導(dǎo)槽插入與前面的母板對接，靠鎖緊機構(gòu)與殼體固定。由圖可以看出，模塊中發(fā)熱器件的導(dǎo)熱途徑是：發(fā)熱器件—冷板—模塊殼體側(cè)邊—設(shè)備殼體。 冷板與發(fā)熱器件相對面加工有凸臺并貼裝導(dǎo)熱材料。 這種設(shè)計方式，冷板可以降低發(fā)熱器件的溫度，但對于密封的設(shè)備來說，最終要把熱量傳導(dǎo)到設(shè)備的外殼上，但熱傳導(dǎo)的路徑過長，其中模塊殼體和冷板之間靠螺釘連接，兩者之間接觸面積很小，很不利于導(dǎo)熱。仿真結(jié)果如圖2 所示。

由仿真結(jié)果可以看出，最高溫度76.1℃，發(fā)熱器件的熱量傳導(dǎo)至冷板以后，冷板與模塊殼體接縫處熱阻很大，冷板的熱量很難傳導(dǎo)到模塊殼體上，顯然在冷板和設(shè)備殼體之間增加模塊殼體使得模塊的散熱效果大大降低。

圖2 模塊散熱仿真示意圖

4 優(yōu)化方案

優(yōu)化方案的基本思路是縮短傳導(dǎo)路徑。模塊的結(jié)構(gòu)仍為相同的四部分，不同之處在于冷板的設(shè)計：將模塊與殼體固定的兩側(cè)邊與冷版設(shè)計成一體。 其結(jié)構(gòu)形式如圖3 所示。

圖3 模塊優(yōu)化結(jié)構(gòu)圖

由圖可知模塊的導(dǎo)熱路徑為：發(fā)熱器件—冷板—設(shè)備殼體，以同樣的條件進行仿真，結(jié)果如圖4 所示。

圖4 優(yōu)化方案散熱仿真示意圖

可以看出，最高溫度64.6℃，冷板上溫度比較均勻，熱量能夠均勻的傳遞到冷板的上下側(cè)邊，從而可以將冷板上的熱量傳導(dǎo)到設(shè)備殼體上去。 優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)形式散熱效果明顯有所改善。

5 結(jié)論

有些設(shè)備已采用風(fēng)冷、液冷的散熱方式，但對于一些特殊的機載設(shè)備來說，在體積和重量嚴(yán)格要求的情況下，考慮自身設(shè)備的風(fēng)冷或液冷方案非常困難。現(xiàn)階段這種設(shè)備比較合理的散熱方式是裝載平臺提供一個冷卻環(huán)境， 給設(shè)備最大的散熱器—殼體提供良好的散熱環(huán)境。而結(jié)構(gòu)設(shè)計需要考慮的是如何有效地將發(fā)熱元器件上的熱量高效的傳導(dǎo)到設(shè)備殼體上來。

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