便攜式密封電子設備的自然散熱設計

謝明君，鄭國宏

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北石家莊050081)

0 引言

據研究，電子設備的失效有55%是溫度超過規定值引起的［1］。某文獻指出，電子元器件的溫度每上升10℃，其可靠性就會減半。因此即使是降低1℃也將使設備的失效率降低一個可靠的量值，這對可靠性高的電子系統尤為重要［2］。

熱設計的任務是通過設計和計算，最終保證設備能夠工作在給定的環境條件下正常工作。借助CFD仿真軟件，對所研究的對象進行熱仿真分析，并為設計者提供設計依據和參考，是目前電子設備熱設計中較為流行的一種設計方法。它不僅是一種提高散熱設計手段和方法的有力工具，而且對于提高設計水平，減少設計反復，縮短產品開發周期等都具有重要的意義［3］。

1 自然散熱的設計要點

設備內部的熱源為印制板上的電子器件，熱量的流向如圖1所示(實線代表主要傳熱路徑，虛線代表次要傳熱路徑)。設備采取自然散熱時，電子器件的穩態溫度取決于以下3個方面:①熱源到機箱外殼的熱阻;②機箱外殼的輻射散熱能力;③ 機箱外殼對流散熱能力。為了降低內部器件的溫度，需要從以上3方面入手進行設計。

圖1 熱流路徑圖

1.1 降低熱源到機箱外殼的熱阻，提高導熱能力

主要方法有:

①盡可能保證印制板上熱功耗分布均衡，避免局部區域熱功耗過于集中而導致元器件溫度過高;

②功放模塊內發熱量大的芯片直接焊接在屏蔽盒的底板上;

③盡量增大印制板覆銅層的面積，增加印制板自身的傳熱能力;

④印制板四周與屏蔽盒連接的部分加金屬鍍層;

⑤屏蔽盒與印制板的連接面，屏蔽盒與鎖緊裝置及機箱的連接面應保證接觸壓力，而且加入導熱填料，如涂導熱硅脂，減少接觸熱阻［4］;

⑥對功耗較大的器件如:A/D、FPGA等，設計導熱塊將熱量直接傳遞給屏蔽盒。

1.2 提高輻射散熱能力

提高輻射散熱能力的方法有:

①機箱和模塊除了接觸部分為導電氧化，其余部分均涂三防漆;

②隔熱板作為機箱和功放模塊之間的隔熱墻，為了提高其隔熱能力，設計其表面粗糙度為3．2并進行導電氧化;

③散熱片的設計考慮相鄰的散熱片之間相互熱輻射，設計間距要大于6 mm;

④如果體積允許，功耗較大的模塊需要交叉排布。

1.3 提高機箱外殼的對流散熱能力

圖2 熱仿真優化設計流程

便攜式密封電子設備內部元器件所釋放的熱量全部由機箱外殼吸收，通過對流換熱與熱輻射，將熱量散發到大氣熱沉中［5］。機箱起到一個熱交換器的作用［6］。為了獲得溫度控制與體積重量的平衡，利用熱仿真軟件ANSYS-Icepak進行熱仿真，優化機箱外形結構參數，流程如圖2所示。

2 便攜式超短波設備熱設計

為了滿足電磁屏蔽及防雨要求，某便攜式超短波信號模擬器采用全密封結構，整機重量要控制在15 kg以下。設備內部采用模塊化設計。機箱采用六面板式拼裝，每個面用防銹鋁5A06－F銑削加工成型，面與面接觸部位加裝防水橡膠條。結構如圖3所示，設備總共有6個外表面，前面板為操作面板，后面板用于固定電池包，其余4個面作為主要的散熱面。電源模塊和功放模塊是由于熱功耗相對比較大，是散熱設計重點考慮的對象，將電源模塊和功放模塊分別通過螺釘固定在機箱的左右兩側，利用機箱的左右側板進行散熱，其余的模塊通過楔形鎖緊裝置與上下蓋板固定，利用機箱上下蓋板進行散熱。由于功放芯片一方面熱功率密度大，另一方面也具有溫度耐受能力強的特點，設計隔熱板將功放封閉在由隔熱板和機箱右側板組成的金屬腔體里(以下簡稱A腔，其余功能模塊加電源組成的腔體稱為B腔)。

圖3 分機組成圖

3 熱仿真及優化

A腔和B腔中間加裝隔熱板，對于散熱可以認為A腔和B腔是2個獨立的結構部分，分別針對兩部分進行熱仿真及優化。

3．1 A腔的熱設計

A腔內功放模塊總功耗為89 W，最高許用殼溫為100℃。為避免電磁干擾，功放模塊采用屏蔽盒的結構形式，通過螺釘固定在機箱的右側板上，接觸面墊銦片。在機箱的右側板銑出肋片，增大散熱面積并幫助建立氣流上升的通道。

肋片的設計是自然散熱設計重要環節之一［7］，其設計參數為肋厚、肋高和肋間距，當散熱面尺寸一定時，減小肋間距，則肋化系數增加，熱阻降低，但由于流體的粘滯作用，肋間距過小將引起換熱效果變差;肋片厚度越大意味著總的肋片數量越小，相應散熱面積變小，縮小肋片厚度可以獲得更多的散熱面積，但肋片過薄會造成結構強度降低及肋片效率降低;肋片增高可增加散熱面積，但過高會降低剛度且增加重量。因此，散熱肋片的設計是一個需要綜合考慮的問題。

散熱面尺寸確定后，肋片厚度不變時，散熱片的間距增加時，肋片個數隨之減小，功放芯片的殼溫呈一個U型曲線，存在一個波谷―最低殼溫，通過改變肋片參數，使用ANSYS-Icepak對A腔模型進行熱仿真，獲得不同肋片間距條件下功放芯片殼溫的對比，如圖4所示。

圖4 不同肋片間距下的殼溫對比

在肋片厚度3 mm，間距12 mm，高度35 mm時芯片的殼溫最低為106．9℃。對于功放模塊這類點熱源的散熱，鋁底板導熱能力有限，必須采用導熱能力更高的材料替換才能降低殼溫，紫銅的導熱能力是鋁的1．8倍，密度是鋁的3．3倍。為了取得導熱能力和重量的平衡，整體采用鋁板，在芯片下方采用釬焊的方式嵌入紫銅板。3種形式的底板對殼溫的影響如圖5所示，鋁嵌銅底板和紫銅板相比殼溫僅升高了1．65℃，重量下降了400 g。

圖5 不同材料條件下的殼溫對比

肋片的高度與其散熱能力并非純粹的線性關系，從圖6中可以看出肋片從15 mm提升至35 mm，芯片殼溫下降3．9℃，再提升至55 mm時，殼溫僅下降1．1℃，加高肋片的意義已經不大了。出于設備重量及經濟性的考慮，設計肋片高度為35 mm。優化后的的A腔的溫度云圖如圖7所示，芯片殼溫為93．69℃，滿足功放對于溫度要求。

圖6 不同肋片高度的殼溫對比

圖7 A腔溫度云圖

3．2 B腔的熱設計

B腔內的模塊總功耗為59 W，最高許用溫度為90℃。可利用的散熱面積較大，在滿足散熱要求的前提下，盡量減輕散熱片的重量從而控制整機的重量是熱設計的首要目標。設計3個散熱面的肋片厚度為2 mm，肋片間距為12 mm，肋片高度為3 mm，總的散熱面積為4 672 cm2。仿真結果如圖8所示。

圖8 B腔溫度云圖

印制板上最高溫度為84．69℃，電源模塊的最高溫度為71．37℃，均符合溫度要求。設計的肋片僅有3 mm，即保證了滿足了散熱要求，也減輕了機箱的重量，同時還保證了機箱骨架一定的剛度。

4 結束語

依據優化設計的結構參數制作了樣機，實驗結果表明，環境溫度55℃條件下，設備工作正常，整機重量為13．9 kg，滿足要求。便攜式密封電子設備的熱設計首先需要分析設備的熱流路徑，其次要采取措施降低各個傳熱路徑的熱阻，最后要對機箱外殼的散熱結構參數進行優化設計。通過對便攜式超短波設備的自然散熱設計，可以得出以下結論:

①熱仿真軟件能夠提高設計的精細化程度，是優化設計的有力手段;②鋁板嵌銅能夠平衡底板導熱能力與重量之間的矛盾，適用于有重量限制的高導熱需求;③隔熱板可將設備的高溫區隔離，將設備分解為兩部分考慮散熱，簡化設計，實踐證明是可行的;④自然散熱設計的關鍵之一是機箱外殼散熱肋片的設計，針對不同的散熱量及目標溫度，散熱肋片的最優參數也不相同，需要根據散熱功耗，許用殼溫及重量限制等統籌考慮。

［1］ 龐明銀，葛躍進．電子設備的熱設計［J］．科技信息，2011(15)：123．

［2］ 于慈遠，于湘珍，楊為民．電子設備熱分析－熱設計－熱測試技術初步研究［J］．微電子學，2003，30(5)：334－337．

［3］ 梅啟元．熱仿真分析技術在相控陣雷達天線散熱設計中的應用［J］．電子機械工程，2007，27(3)：11 －13．

［4］ 張斌，武沛勇，韓鳳廷．一種新型電子設備熱設計分析［J］．無線電通信技術，2011，37(5)：41 －43．

［5］ 宋云．T/R組件的散熱設計［J］．電子機械工程，2003，19(5)：5 －7．

［6］ 白秀茹．典型的密封式電子設備結構熱設計研究［J］．電子機械工程，2002，18(4)：36 －38．

［7］ 崔萬新，韓寧，段寶巖．散熱器優化設計［J］．電子機械工程，2006，22(4)：7－9．