自然散熱電子產品的外殼熱設計

杜善亮　王湖皎

摘要：以有線電視網絡傳輸數據監控模塊為例，通過對其外殼的散熱理論分析和仿真計算，研究和探討了自然散熱產品的外殼設計方法。

關鍵詞：自然散熱；外殼設計；壓鑄；鋁合金；鋅合金

隨著三網融合的推進，在廣電傳媒領域，數字化的新媒體帶來了一場深刻的革命[1]。有線電視網絡雙向化數字化改造是廣電業占領新的信息產業版圖的重要實施舉措。有線帶寬的提高、高清視頻、IP數據業務、語音業務、數據點播等的開展，對有線電視傳輸設備提出了更高的要求，熱問題在產品的研發過程中越來越突出，特別是傳輸干路和支路上的野外型和室外型設備的設計研發。這類設備以自然散熱為主要散熱途徑，使用環境復雜多變，所在的網絡平臺歷史較長，各地運營商對設備的要求和標準也參差不齊，產品結構方面可變的設計條件也有限，所有這些限制因素都增加了結構設計的難度，提出了更高的要求。本文以有線電視網絡傳輸數據監控模塊（簡稱DOCSIS 模塊）的設計為例，探討了以自然散熱為主的設備的外殼熱設計要素和方法。

1.挑戰和機遇

DOCSIS模塊是配合DOCSIS網絡而產生的新模塊，是代替現有HMS應答器的產品。該模塊普遍應用于CATV傳輸網絡的光站和放大器設備中，這些設備基本都是野外型或是室外型。由于HMS模塊已經應用在諸多的光站和放大器平臺中，因此，DOCSIS模塊的外形尺寸和連接器位置都不能改變。但由于DOCSIS模塊功能的極大提升、新的集成芯片的使用，模塊的功耗有成倍的增長。在有限的空間范圍內，模塊熱設計遇到了極大的挑戰。

近十年，傳統的鋅、鎂、鋁合金的加工技術有較快的發展，導熱材料的熱導率有很大的提升，有限元熱設計分析工具更是被廣泛應用，這給外殼熱設計提供了強有力的技術支持。

2.熱設計理論分析

為了達到理想的散熱效率，將主要發熱芯片與產品外殼通過導熱材料相連，從而有效降低從芯片結到外部空氣的傳熱熱阻。將產品的導熱簡化成下圖，在此僅討論穩態場產品的散熱：

其中t_j為芯片的結溫，t_c為芯片的表面溫度，γ是導熱材料的厚度，t_TIM是導熱材料的溫度，δ是外殼設計厚度，t_h是外殼的溫度，t_a是模塊工作的外部環境溫度，h是機殼表面自然對流換熱系數。

穩態場指產品達到熱平衡時，各部件的溫度幾乎不變的熱場分布。穩態場性能反應了電子產品正常工作情況下的熱學性能。

t_a為恒定外界溫度，自然散熱條件下表面換熱系數h為小于10的某一數值。由（2.4）式，芯片的選型，外殼材料的特性、厚度和表面積的設計，導熱介質的材料選型、厚度和接觸面設計都決定了t_j的值。因此，選用耐溫高、內部熱阻低的芯片，選用熱導率高的金屬做外殼，增大外殼有效散熱面積，選用熱導率高、厚度薄的導熱材料做介質，設計合理的接觸面，能有效避免產品過熱問題。

輻射換熱效率與自然散熱產品效率相當[6]，可以增加表面處理（如噴漆、氧化）來強化輻射效果，增強自然散熱能力。

3.DOCSIS模塊結構設計比較

模塊的外形尺寸限制為 長×寬×高=78mm ×38mm ×12mm，FPGA芯片大小為長×寬=23mm ×23mm 。

下表為模塊結構設計選項：

設計選項1和設計選項2比較了不同合金材料的選擇對產品熱性能的影響；設計選項2和設計選項3比較了發熱芯片接觸面積和導熱介質對產品熱性能的影響；設計選項3和設計選項4比較散熱面積和表面輻射效果對產品熱性能的影響。

下圖為設計選項1和設計選項4的設計效果圖：

4.仿真結果比較

使用Flotherm軟件進行仿真比較。設置外部環境溫度為85°C，模塊總功耗為1.7w，FPGA芯片功耗為0.8w。按下表設置鋁合金和鋅合金材料的基本參數。

下表是各條件的仿真結果。

其中，t_j和t_h與章節2中對應的芯片結溫和殼體外表溫度意義一致。

比較設計選項1和設計選項2的結果，選用鋁合金比選用鋅合金，FPGA結溫下降0.23°C，殼體溫度下降0.25°C。結果顯示，Zmark3和A413散熱能力相當。因為鋅合金比鋁合金具有更好的鑄造性能，能鑄造出更薄的殼體，在PCB布板空間緊張、對模塊重量不敏感的情況下，選用鋅合金比鋁合金更有優勢。

比較設計選項2和設計選項3的結果，增大導熱介質和FPGA芯片的接觸面接、選用導熱率更高、更薄的導熱材料，使得FPGA結溫下降了0.69°C，殼體溫度下降了2.57°C。結果表明，導熱介質的優化可以帶來一定程度的溫度降低。但是熱導率為5w/m.k的導熱介質成本是2.5w/m.k的一倍以上，且越薄的導熱介質對產品的加工精度要求更高。因此，在成本和公差允許的情況下，選用更大、更薄、導熱率更高的材料能有效降低芯片結溫。

比較設計選項3和設計選項4的結果，增大表面積和輻射率，使得FPGA結溫下降了3.08°C，殼體溫度下降了2.01°C。結果表明，增大表面積和表面輻射率是自然散熱條件下最為有效的降低溫度的方法。而表面涂鍍是增加表面輻射率的有效途徑，它既增加了產品美觀性，又增強了表面耐腐蝕性，缺點是增加了成本。因此，在產品尺寸大小不敏感，成本壓力小，表面要求高的情況下，加強表面處理是解決散熱問題的有效途徑。

綜上所述，導熱率相當的鋁合金和鋅合金合金材料對模塊溫度的影響不大；增大芯片與導熱介質的接觸面積，增大導熱材料的熱導率、降低其厚度可以有效降低溫度；增加表面散熱面積，加強表面處理是最有效的提高散熱效率的方法。

5.結論

自然散熱的電子產品外殼設計中，選用耐溫高、內部熱阻低的芯片，選用熱導率高的金屬做外殼，增大外殼有效散熱面積，增強表面輻射強度，選用熱導率高、厚度薄的導熱材料做介質，設計合理的接觸面，能有效避免產品過熱問題。

參考文獻：

[1]韋樂平.《三網融合的思考》[J].《電信科學》，2010年03期：1-6.

[2]章亦農，楊俊.《基于三網融合的HFC網絡現狀與前景分析》[A].《2007國際有線電視技術研討會論文集》，中國浙江杭州：中國廣播電視協會，浙江省廣播電視局，2007年.

[3]張鳳莉.《基于DOCSIS3.0的HFC雙向網絡設計》[D].南京：南京理工大學，2012年.

[4]包雪松.《鋁合金壓鑄散熱模塊結構設計研究》[D].上海：上海交通大學，2011年

[5]李遠近.《優質鋅合金壓鑄》[J].《機床與液壓》，2002年03期：190-191.

[6]楊世銘，陶文銓.《傳熱學》[M].北京，高等教育出版社，1998年.