一種機(jī)載電子設(shè)備的熱設(shè)計(jì)仿真與試驗(yàn)研究

賁少愚

(南京電子技術(shù)研究所， 南京210039)

0 引言

隨著電子元器件封裝工藝的發(fā)展，芯片的熱耗密度越來越大。而在機(jī)載設(shè)備中，由于載機(jī)安裝環(huán)境對電子設(shè)備的體積質(zhì)量的限制，要求機(jī)載電子設(shè)備向小型化、輕量化發(fā)展，更使得機(jī)載電子設(shè)備的熱設(shè)計(jì)越來越困難［1］。近年來，隨著機(jī)載雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展，結(jié)構(gòu)/熱耦合設(shè)計(jì)正逐漸成為機(jī)箱設(shè)計(jì)主流趨勢［2］，越來越多的熱設(shè)計(jì)元素被融合在機(jī)箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，從而使得機(jī)箱中的散熱通路越來越通暢，需要的冷卻資源和供電資源也越來越少。機(jī)箱的冷卻方式分為液冷和風(fēng)冷兩種，其中風(fēng)冷機(jī)箱中需要布置風(fēng)道，通常體積較大。因此，在風(fēng)冷機(jī)箱的設(shè)計(jì)中尤其重視合理的結(jié)構(gòu)排布和風(fēng)道布置，從而在有限的設(shè)計(jì)空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)機(jī)箱的散熱。然而，傳統(tǒng)的風(fēng)冷機(jī)箱多借助經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行模塊排布和風(fēng)道設(shè)計(jì)，往往設(shè)計(jì)冗余過大，造成機(jī)箱的體積和質(zhì)量較大。

本文使用熱仿真手段，分析了模塊結(jié)構(gòu)排布和風(fēng)道布置對某型風(fēng)冷機(jī)箱散熱效果的影響，并獲得了最優(yōu)的結(jié)構(gòu)/熱設(shè)計(jì)方案，使得機(jī)箱的緊湊化設(shè)計(jì)與高效的風(fēng)冷散熱相得益彰。通過試驗(yàn)測試，該設(shè)計(jì)的散熱性能得到了驗(yàn)證。因此，文中的熱設(shè)計(jì)仿真方法可以對類似的風(fēng)冷機(jī)箱熱設(shè)計(jì)提供有效的參考。

1 問題描述

機(jī)載電子設(shè)備機(jī)箱安裝在飛機(jī)客艙內(nèi)，飛機(jī)客艙通過飛機(jī)環(huán)控系統(tǒng)的控制，可以保證客艙內(nèi)環(huán)境溫度小于35℃，但飛機(jī)不為機(jī)箱提供冷卻資源。機(jī)箱內(nèi)共布置有24個(gè)模塊，分為三個(gè)品種。其中，品種A數(shù)量為14個(gè)，熱耗最大，為125 W，在該模塊中，熱耗主要集中在四個(gè)芯片上，芯片面積30 mm×30 mm，熱耗22 W/個(gè)，其余37 W熱量分散在其他芯片上。剩余兩個(gè)品種的模塊熱耗較小。整個(gè)機(jī)箱熱耗2 110 W，要求芯片工作時(shí)最高殼溫小于85℃。

由于芯片的最大熱流密度達(dá)到2.4 W/cm2，必須采用強(qiáng)迫風(fēng)冷的冷卻方式［3］，而飛機(jī)不提供冷卻資源。因此，必須自帶風(fēng)扇進(jìn)行強(qiáng)迫空氣冷卻。

2 熱設(shè)計(jì)方案

自帶風(fēng)扇進(jìn)行強(qiáng)迫風(fēng)冷的機(jī)箱熱設(shè)計(jì)分為模塊級和機(jī)箱級。在模塊級設(shè)計(jì)中，通過合理地布置模塊中發(fā)熱器件的分布，并使用熱傳導(dǎo)技術(shù)建立發(fā)熱器件和散熱板之間的散熱通路，確保發(fā)熱器件的熱量通過散熱板傳遞至冷卻風(fēng)，實(shí)現(xiàn)散熱。機(jī)箱級散熱則是通過合理地布置風(fēng)機(jī)、進(jìn)出風(fēng)口和模塊散熱板，在機(jī)箱內(nèi)形成暢通的冷卻風(fēng)路，確保每個(gè)模塊獲得足夠的風(fēng)量。

2.1 模塊級熱設(shè)計(jì)

熱密度最高的模塊印制板熱分布示意圖，如圖1所示，熱耗主要集中在四個(gè)處理芯片上，芯片面積30 mm×30 mm，熱耗22 W/個(gè)。為印制板設(shè)計(jì)散熱板，將芯片的較大熱流密度擴(kuò)展到散熱板上，風(fēng)扇帶動空氣從散熱板上流過，將熱量帶走，散熱板結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 印制板上熱耗分布示意圖

圖2 散熱板結(jié)構(gòu)圖

2.2 機(jī)箱級熱設(shè)計(jì)

機(jī)箱級熱設(shè)計(jì)的一般原則［4］有以下5點(diǎn):(1)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)使用自然對流有助于強(qiáng)迫對流;(2)確保所有熱源都具有所需的風(fēng)量;(3)確保氣流通道暢通無阻，且大小適當(dāng);(4)確保進(jìn)風(fēng)口與排風(fēng)口遠(yuǎn)離;(5)進(jìn)風(fēng)口應(yīng)設(shè)置空氣過濾器。

根據(jù)設(shè)計(jì)原則，在機(jī)載電子設(shè)備機(jī)箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)做到以下4點(diǎn):(1)進(jìn)氣孔應(yīng)設(shè)置在機(jī)箱下側(cè)或底部，排氣孔應(yīng)設(shè)置在靠近機(jī)箱的頂部，使得空氣自機(jī)箱下方向上循環(huán);(2)保證冷卻空氣在機(jī)箱內(nèi)按需要的散熱要求流動，避免氣流短路;(3)風(fēng)扇入風(fēng)孔外應(yīng)保留3 mm～5 mm之內(nèi)無阻礙;(4)進(jìn)風(fēng)口和排風(fēng)口都安裝有截止波導(dǎo)。

圖3為機(jī)箱的外形、內(nèi)部模塊和風(fēng)扇布置圖，及機(jī)箱內(nèi)風(fēng)流動路徑示意圖。模塊尺寸:寬×深×高=25 mm×152 mm×234 mm，模塊間距 25.4 mm，風(fēng)扇尺寸:長×寬×高=119 mm×119 mm×38 mm。在模塊下方共布置5個(gè)風(fēng)扇。由于空間體積的限制，要求機(jī)箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)盡量做到緊湊，風(fēng)扇和模塊間的間距、進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口尺寸盡量小。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)初步方案給定間距為10 mm，進(jìn)風(fēng)口高度25 mm，出風(fēng)口高度20 mm。為了保證冷卻空氣能夠有效冷卻機(jī)箱內(nèi)所有模塊，將熱量帶走，應(yīng)用仿真軟件仿真空氣在機(jī)箱內(nèi)的流動情況。

圖3 機(jī)箱外形、內(nèi)部模塊和風(fēng)扇布置及機(jī)箱內(nèi)風(fēng)流動路徑示意圖

3 機(jī)箱熱仿真與優(yōu)化

3.1 建模

對機(jī)箱結(jié)構(gòu)進(jìn)行規(guī)模簡化，選取機(jī)箱內(nèi)熱耗密度最大的五個(gè)模塊及與這五個(gè)模塊相對應(yīng)的一個(gè)風(fēng)扇作為仿真分析對象，總熱耗625 W。進(jìn)風(fēng)口尺寸為125 mm×25 mm，出風(fēng)口尺寸為125 mm×20 mm，模塊和風(fēng)扇之間的距離為10 mm，物理模型如圖4所示。

圖4 機(jī)箱物理模型

3.2 網(wǎng)格劃分及邊界條件設(shè)置

利用軟件自帶的網(wǎng)格生成功能，將網(wǎng)格質(zhì)量設(shè)置為normal，并對熱源部分進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化處理，以提高求解精度。軟件提示生成網(wǎng)格數(shù)量為150萬個(gè)。邊界條件為:求解域的六個(gè)面設(shè)置為絕緣面(模塊的熱量全部由風(fēng)扇帶走);系統(tǒng)環(huán)境溫度35℃;加入輻射、重力影響;氣流流動狀態(tài)為紊流;散熱板材質(zhì)為鋁合金;四個(gè)芯片熱耗分別為22 W/個(gè)，其余37 W集中布置在印制板中部的block上;求解方式為穩(wěn)態(tài)計(jì)算。風(fēng)扇特性曲線設(shè)置，如圖5所示。

圖5 風(fēng)扇特性曲線

3.3 求解計(jì)算

進(jìn)行計(jì)算之前，先檢查氣流雷諾數(shù)和普朗特?cái)?shù)的數(shù)值，以驗(yàn)證初始條件是否正確。執(zhí)行“basic setting”命令，計(jì)算出的雷諾數(shù)為89 236，普朗特?cái)?shù)為63 224，流動為紊流，與初始條件設(shè)置相符。執(zhí)行“run solution”命令，迭代100次后，殘差曲線已經(jīng)收斂，計(jì)算完成。

3.4 仿真結(jié)果分析

當(dāng)風(fēng)扇和模塊的間距為10 mm，進(jìn)風(fēng)口高度25 mm，出風(fēng)口高度20 mm時(shí)，機(jī)箱內(nèi)流場分布如圖6a)所示，整個(gè)機(jī)箱內(nèi)空氣最大速度6 m/s，右側(cè)模塊上流過的風(fēng)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其他四個(gè)模塊，導(dǎo)致該模塊上芯片溫度達(dá)到108.2℃。

保持風(fēng)扇和模塊的間距為10 mm，調(diào)整進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口的高度，進(jìn)風(fēng)口高度45 mm，出風(fēng)口高度40 mm。機(jī)箱內(nèi)流場分布如圖6b)所示，機(jī)箱內(nèi)空氣最大速度提高到8.9 m/s，這是由于增加了進(jìn)出風(fēng)口的尺寸，減小了系統(tǒng)流阻。但右側(cè)模塊上流過的風(fēng)量仍然比其他四個(gè)模塊小很多，可見，改變進(jìn)出風(fēng)口的尺寸并不能改善機(jī)箱內(nèi)的流場分布。該模塊上芯片溫度90.2℃，不滿足芯片殼溫小于85℃的要求。

保持進(jìn)風(fēng)口高度和出風(fēng)口高度尺寸不變，加大風(fēng)扇和模塊的間距為40 mm。機(jī)箱內(nèi)流場如圖6c)所示，機(jī)箱內(nèi)空氣最大速度降為7m/s，各模塊的流量比較均勻，芯片最高溫度80℃，比允許溫度低5℃，滿足了散熱要求并留有熱設(shè)計(jì)余量。

圖6 不同結(jié)構(gòu)尺寸情況下機(jī)箱內(nèi)部空氣流動及芯片溫度分布情況

上述仿真結(jié)果表明:風(fēng)扇和模塊的間距對流場分布影響較大，隨著間距的增大，流場分布趨于均勻。圖7為風(fēng)扇和模塊的間距與芯片最高溫度間的關(guān)系曲線。

圖7 風(fēng)扇和模塊的間距與芯片最高溫度之間的關(guān)系曲線

4 試驗(yàn)測試驗(yàn)證

為了檢驗(yàn)仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，對該機(jī)箱進(jìn)行了熱測試，測試過程中的工況與仿真計(jì)算中完全相同。測試以典型發(fā)熱芯片的溫度作為參考，比較了仿真結(jié)果和測試結(jié)果，結(jié)果表明:芯片的實(shí)測溫度為82.3℃，仿真溫度為80℃，兩者吻合良好，仿真結(jié)果真實(shí)可靠。

5 結(jié)束語

本文通過使用熱分析軟件對流場和熱傳遞進(jìn)行了仿真分析，根據(jù)仿真結(jié)果優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)，獲得了結(jié)構(gòu)/熱設(shè)計(jì)耦合優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而在最小的設(shè)計(jì)空間中實(shí)現(xiàn)了風(fēng)冷機(jī)箱的散熱設(shè)計(jì)。仿真分析結(jié)果表明:風(fēng)扇與模塊之間的最小距離為40 mm，小于此距離的設(shè)計(jì)將使機(jī)箱內(nèi)空氣流通不暢。實(shí)物驗(yàn)證結(jié)果與仿真結(jié)果良好吻合。本文的工作意義在于，通過迭代仿真的手段實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)/熱耦合優(yōu)化設(shè)計(jì)，為風(fēng)冷機(jī)箱小型化設(shè)計(jì)提供了可靠的研究方法。

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［3］ GJB/Z 27-1992.電子設(shè)備可靠性熱設(shè)計(jì)手冊［S］.GJB/Z 27-1992.Thermal design handbook for reliability of electronic equipment［S］.

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