某處理機的熱設計仿真與試驗分析

湖北三江航天紅峰控制有限公司 渠向東 陳竹寧 王浩州 王紅平 丁 俊

某處理機的熱設計仿真與試驗分析

湖北三江航天紅峰控制有限公司 渠向東 陳竹寧 王浩州 王紅平 丁 俊

本文通過對某處理機的散熱分析，選擇了最優的散熱材料和散熱路徑，并采用FloTHERM熱分析軟件進行了仿真分析，最后通過模擬試驗來驗證設計的正確性，表明處理機的散熱結構形式能夠滿足產品的技術要求，不僅可以指導實際生產、試驗，而且為同類型的結構熱設計、熱分析和熱試驗提供了重要參考。

處理機； FloTHERM ；仿真分析； 熱設計

1 引言

隨著電子產品和電子元器件小型化、集成化程度越來越高，導致其熱流密度越來越大，而電子產品和電子元器件的失效與其工作溫度有很密切的關系。熱設計的目的是控制電子產品內部熱流密度較高且溫度影響其可靠性的電子元器件，保證該電子產品在工作環境下能正常可靠地工作[1]。

因此，對電子產品進行熱分析仿真并根據分析情況進行熱試驗是結構熱設計的主要內容之一。

2 處理機的結構布局

某處理機由箱體、電源和3塊板卡組成，如圖1所示。電源為整體模塊，板卡1-3是根據相關的標準設計，均分為母板與子板對扣在一起并固定在支架板上，通過支架板將熱量傳遞到機箱上。

圖1 處理機結構布局

3 熱設計輸入

在傳熱學中，熱傳遞有三種基本方式：傳導、對流和輻射[2]。結構熱設計的首先任務是根據發熱元器件的熱密度和熱阻選擇主要的散熱方式和散熱通道，其中散熱方式主要有：自然對流、傳導、強迫液冷、強迫風冷、相變技術、冷板技術和熱管技術等。由于該處理機工作環境的特殊性，受結構形式和安裝位置的限制，只能采用傳導冷卻方式散熱，其主要導熱通道是元器件→導熱墊→支架板→楔形鎖緊塊→箱體導向槽→箱體。

為滿足處理機的散熱、輕量化、強度和剛度要求，通過對不同材料的對比分析，選定導熱墊的導熱系數為3W/(m·K)，支架板的材料為6063-T6鋁合金，箱體的材料為6061-T6鋁合金。為擴大散熱面積，箱體外表面設計有鋸齒形翅片，同時考慮到輻射散熱，外表面進行了黑色陽極氧化處理，要求黑度大于0.8。

圖2 功率器件布局

熱設計輸入及要求：

初始環境溫度為45℃，6分鐘內環境溫度升到60℃；

處理機放置在該環境內，溫度升到60℃后開始工作，工作時間為6分鐘；

元器件工作溫度要求不大于100℃；

處理機滿載時總功率約133W，主要功率器件分布位置如圖2所示，器件功率分布如表1所示。

表1 器件功率分布

4 仿真分析及結果

仿真采用瞬態分析法，初始環境溫度設置為45℃，6分鐘內上升到60℃，各板卡開始工作，時間為6分鐘。

仿真模型建立后，采用middle方法劃分整體網格，零件與零件接觸處及功率器件處的網格局部加密處理，如圖3所示。

圖3 處理機網格劃分

FloTHERM分析結果可以通過云圖方式輸出[3]，圖4為軟件求解之后得到的各功率器件溫度云圖，表2為各功率器件的溫度。

5 試驗驗證

為真實模擬處理機工作時的環境溫度，將處理機放置在溫箱中，通過溫箱的溫度設置來實現環境溫度的變化，并按照實際器件功率及尺寸定制了專門的模擬芯片、印制板及零件來模擬產品實際工作狀態。將溫度傳感器貼在模擬芯片中心位置進行溫度采集，結果如表3所示。

6 結論

圖4 功率器件云圖

通過對仿真數據和試驗數據的對比分析，結果相差不大于3℃，且均沒有超過100℃，表明處理機的散熱結構形式能夠滿足產品的技術要求，不僅驗證產品熱設計的可行性，同時也驗證了仿真結果可以指導實際生產、試驗，為后續相關產品熱設計、熱分析和熱試驗提供了重要參考。

[1]國防科學技術委員會.GJB/Z27-1992電子設備可靠性熱設計手冊[S].1992

[2]余建祖,高紅霞,謝永奇.電子設備熱設計及分析技術[M].北京:北京航空航天大學出版社,2008.11.

[3]李波.FloTHERM軟件基礎與應用實例[M].北京:中國水利水電出版社,2014.05.

表2 功率器件溫度

表3 發熱片實測溫度