基于有限元的航天產(chǎn)品熱設(shè)計(jì)優(yōu)化

何明珠，韓獻(xiàn)堂，蘇靖祥

(1.中國電子科技集團(tuán)公司第十八研究所，天津300384；2.天津市電力公司，天津300100)

基于有限元的航天產(chǎn)品熱設(shè)計(jì)優(yōu)化

何明珠1，韓獻(xiàn)堂1，蘇靖祥2

(1.中國電子科技集團(tuán)公司第十八研究所，天津300384；2.天津市電力公司，天津300100)

基于有限元法，利用I-DEAS/TMG軟件對(duì)某航天產(chǎn)品進(jìn)行熱設(shè)計(jì)優(yōu)化。通過對(duì)產(chǎn)品熱環(huán)境的仿真分析，得到優(yōu)化后模塊高溫工況下的溫度分布云圖，確定了所關(guān)心元器件的溫度參數(shù)，并進(jìn)行熱真空實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明，熱設(shè)計(jì)改進(jìn)措施有效降低了元器件和印制板的溫度，解決了元器件溫度過高的問題。

有限元；熱設(shè)計(jì)；熱真空實(shí)驗(yàn)

隨著電子元件和集成電路板的功率密度不斷上升，電子產(chǎn)品的熱設(shè)計(jì)變得越來越重要，由于溫度所引發(fā)的問題是導(dǎo)致電子產(chǎn)品故障率升高的重要因素。對(duì)于航天電子產(chǎn)品，其工作環(huán)境為高真空，只能通過熱傳導(dǎo)和熱輻射來散熱，航天電子產(chǎn)品的可靠性及其性能，在很大程度上取決于是否具有良好的熱設(shè)計(jì)及采用的散熱措施是否有效。

1 問題描述

在熱實(shí)驗(yàn)時(shí)監(jiān)測(cè)到航天產(chǎn)品某模塊中印制板的整體溫度偏高，個(gè)別器件已經(jīng)超過了其溫度降額要求，溫度較高器件安裝位置如圖1、圖2所示，實(shí)驗(yàn)中所監(jiān)測(cè)的熱點(diǎn)溫度見表1。

圖1 PCB1上熱實(shí)驗(yàn)中溫度較高器件示意圖

圖2 PCB2、PCB3上熱實(shí)驗(yàn)中熱點(diǎn)示意圖

表1 熱實(shí)驗(yàn)中溫度較高器件

從表1可以看出AD574ATD的結(jié)溫已經(jīng)超過其Ⅰ級(jí)降額溫度7.7℃，PCB2熱點(diǎn)溫度為80℃，相對(duì)于冷板已經(jīng)有20℃的溫升，說明印制板的散熱較差，器件產(chǎn)生的熱量不能及時(shí)導(dǎo)出至冷板，影響器件的可靠性。

2 原因分析

針對(duì)上述元器件及印制板溫度過高問題進(jìn)行散熱路徑分析。由于產(chǎn)品工作環(huán)境為真空，元器件主要散熱路徑為熱傳導(dǎo)和熱輻射，而熱傳導(dǎo)為最主要散熱路徑。元器件的熱量首先通過管腿傳導(dǎo)至印制板上，再通過印制板與結(jié)構(gòu)的接觸點(diǎn)傳導(dǎo)至結(jié)構(gòu)側(cè)板上，最后通過結(jié)構(gòu)底板導(dǎo)出至熱沉。通過分析可以看出目前的熱設(shè)計(jì)存在以下問題：(a)模塊的結(jié)構(gòu)為鏤空結(jié)構(gòu)(如圖3所示)，增大了器件至熱沉的導(dǎo)熱熱阻；(b)印制板基材為FR-4材料，雖已增加了敷銅層，等效導(dǎo)熱系數(shù)[1]仍不高，印制板的散熱能力較差；(c)印制板通過結(jié)構(gòu)上的安裝柱固定在結(jié)構(gòu)上，接觸面積較小，接觸熱阻較大，使得印制板產(chǎn)生的熱量不能及時(shí)傳導(dǎo)至熱沉，導(dǎo)致元器件溫度較高。

圖3 模塊結(jié)構(gòu)示意圖

3 熱設(shè)計(jì)改進(jìn)

根據(jù)前面的分析，從以下兩個(gè)方面入手來改進(jìn)模塊的熱設(shè)計(jì)。

3.1 結(jié)構(gòu)改進(jìn)

(a)鏤空結(jié)構(gòu)修改為整塊金屬板，部分元器件高的位置進(jìn)行局部鏤空；(b)印制板安裝柱更改為5 mm寬的平臺(tái)，增大了印制板與結(jié)構(gòu)間的接觸面積(圖4中紅色部分為安裝平臺(tái))。

圖4 新模塊結(jié)構(gòu)改進(jìn)示意圖

3.2 印制板改進(jìn)

(a)印制板由6層板更改為8層板，中間兩層為散熱敷銅，增大印制板的等效導(dǎo)熱系數(shù)；

(b)為了更有利于元器件的散熱，在個(gè)別元器件底部印制板上增加了導(dǎo)熱敷銅條，印制板上下表面的四周也增加了一定寬度的敷銅，與器件底部印制板上的敷銅條相連，增加了器件與結(jié)構(gòu)之間的導(dǎo)熱路徑，有利于器件的熱量導(dǎo)出，如圖5所示；

(c)印制板與結(jié)構(gòu)之間涂導(dǎo)熱脂，減小印制板與結(jié)構(gòu)間的接觸熱阻。

圖5 新模塊印制板改進(jìn)示意圖

4 熱仿真

4.1 仿真軟件

利用有限元分析軟件I-DEAS的TMG模塊對(duì)模塊進(jìn)行熱分析。I-DEAS/TMG在進(jìn)行熱分析時(shí)采用控制體積法，瞬態(tài)熱平衡方程簡(jiǎn)單描述如式(1)或式(2)所示[2]：

在I-DEAS/TMG中采用“積木式”的裝配建模方法，先對(duì)組成模塊的各個(gè)零部件分別建幾何模型，并對(duì)之劃分網(wǎng)格，定義溫度邊界條件及熱耦合關(guān)系等，生成熱分析有限元模型，然后將這些相對(duì)獨(dú)立的子模型裝配起來，在組裝好的模型上定義邊界條件和熱耦合條件，得到模塊的熱分析有限元模型。

模塊的邊界條件和熱耦合條件的設(shè)定如下：(a)邊界條件：本文主要關(guān)心在高溫工況下各個(gè)元器件的溫度，在高溫工況下將模塊安裝艙板設(shè)為定溫邊界60℃；(b)熱耦合條件：根據(jù)元器件的安裝方式計(jì)算元器件與安裝板之間的熱阻，將其作為元器件與安裝板的熱阻耦合值。

4.2 熱仿真模型

利用I-DEAS/Meshing自動(dòng)生成有限元網(wǎng)格，熱分析模型如圖6所示。

圖6 新模塊熱分析網(wǎng)格模型

4.3 仿真結(jié)果

對(duì)模塊進(jìn)行高溫工況下的熱分析，分析結(jié)果如圖7～圖9所示，模塊典型器件的溫度如表2所示，可以看出所關(guān)注器件都有一定幅度的溫降，其溫度都能滿足各自的溫度降額要求。

表2 新模塊典型器件溫度

圖7 高溫工況新模塊PCB1溫度分布

5 熱真空實(shí)驗(yàn)

將原模塊和新模塊置于同一真空環(huán)境下，控制在相同的工作模式進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)溫度穩(wěn)定時(shí)讀取典型測(cè)溫點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過熱設(shè)計(jì)改進(jìn)，元器件的溫度最多降低11℃，表明優(yōu)化后的熱設(shè)計(jì)效果顯著(圖10，表3)。

圖8 高溫工況新模塊PCB2溫度分布

圖9 高溫工況新模塊PCB3溫度分布

6 結(jié)論

通過有限元仿真及熱真空實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得知，經(jīng)過散熱措施整改的元器件溫度較之前有明顯改善，AD574ATD降溫11℃，PCB2熱點(diǎn)溫度也降到了74℃，說明新的熱設(shè)計(jì)措施合理、有效。利用軟件仿真能快速驗(yàn)證熱設(shè)計(jì)措施是否有效，減少了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的次數(shù)，也減少了人力、物力和財(cái)力，提高了工作效率。

圖10 模塊熱真空實(shí)驗(yàn)狀態(tài)

表3 熱真空實(shí)驗(yàn)條件下仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比 ℃

[1]羅凌江，王能.印制電路板的熱設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)測(cè)量與控制，2006 (12):80-80.

[2]葉宏，焦冬生.I-DEAS熱分析實(shí)用教程[M].合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，2003:30-30.

Thermal design optimization of aerospace product based on finite element method

The thermal design optimization of an aerospace product by I-DEAS/TMG based on the finite element method was done.Through the thermal simulation of the new module,temperature distribution of the worst hot case was obtained. The results were verified by thermal vacuum test, which indicated that the new thermal control measures reduced the temperature of components and PCBs effectively, the problem of high temperature components was solved.

finite element;thermal design;thermal vacuum test

TM 91

A

1002-087 X(2015)10-2206-02

2015-04-10

何明珠(1983—)，女，天津市人，工程師，碩士，主要研究方向?yàn)榭臻g電源控制設(shè)備熱設(shè)計(jì)。