某手持終端設(shè)備的熱分析研究

摘 要：針對手持終端大功率、多模塊、大功耗、散熱困難的特點(diǎn)，從終端材質(zhì)、散熱方式以及導(dǎo)熱材質(zhì)等方面著手，運(yùn)用熱仿真分析軟件FLoEFD進(jìn)行熱仿真分析計(jì)算。通過對比不同的影響因素可知，采用金屬材質(zhì)能提高手持終端的導(dǎo)熱效率，使用風(fēng)冷散熱能有效提高終端的散熱效率，對終端的溫度降低有明顯作用，為終端的合理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：手持終端；FLoEFD；熱分析

中圖分類號：TN915.05 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）01-0070-03

Thermal Analysis of the Handheld Terminals

TIAN Shaoyang MEI Bin SHI Jinyan

（The 27th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation，Zhengzhou Henan 450047）

Abstract： Aiming at the high-power， multiple modules， high power consumption and heat dissipation difficulty of the handheld terminals， using the FLoEFD to analyze from the terminal material， thermal radiation and thermal conductive materials. Through comparing the different factors we know that using metal can improve the efficiency of thermal conductivity of the terminals and using airing cooling can improve the heat dissipation efficiency of terminal significantly， which can reduce the temperature of the terminals and provide theoretical basis for the reasonable structure design of the terminal.

Keywords： handheld terminals；FLoEFD；thermal analysis

1 研究背景

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電子產(chǎn)品的競爭越來越激烈，電子元器件的散熱問題愈發(fā)突出[1]。由于電路集成度越來越高，單位體積內(nèi)的器件越來越多，使設(shè)備的功率大幅提高。據(jù)統(tǒng)計(jì)，本手持終端設(shè)備電路設(shè)計(jì)中元器件數(shù)量是常用智能移動手機(jī)的8～10倍。隨著元器件數(shù)量和功率的提高，設(shè)備的功耗越來越大，最終轉(zhuǎn)化成熱量散發(fā)出來。由于手持終端尺寸和常用智能手機(jī)相差不大，內(nèi)部空間有限，因此，手持終端內(nèi)部的熱流密度大幅增加，終端內(nèi)部及元器件的溫度升高。如果熱量不能及時(shí)散出，造成元器件溫度過高，可能會導(dǎo)致元器件的性能大幅降低，甚至失效。根據(jù)“10℃法則”，元器件的性能隨著溫度的升高呈指數(shù)增長，元器件環(huán)境溫度每升高10℃，其失效率會增加一個(gè)數(shù)量級[2]。例如，溫度從75℃升高至125℃時(shí)，可靠性將降到原來的20%左右[3]。因此，采取有效的熱設(shè)計(jì)分析將能正確指導(dǎo)設(shè)備進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提前采取合理的措施控制溫度的升高，以保證電子設(shè)備正常可靠運(yùn)行。

根據(jù)本手持終端的設(shè)計(jì)要求可知，本終端具有高集成化、功能多、模塊多、功耗大及空間尺寸要求嚴(yán)格等特點(diǎn)。電子設(shè)備中的熱傳遞方式有傳導(dǎo)、對流、輻射，由于終端中元器件相距較近，在安裝過程中幾乎均在器件之間用導(dǎo)熱膠等導(dǎo)熱材料進(jìn)行填充，溫度相差不大，故在熱分析中暫不考慮輻射作用，只考慮傳導(dǎo)和對流的散熱方式。

在工作過程中，影響終端機(jī)散熱的因素較多，且散熱方式復(fù)雜。本文在簡化模型的情況下，從終端材質(zhì)、強(qiáng)迫風(fēng)冷及導(dǎo)熱材料等幾方面對終端的散熱情況進(jìn)行分析研究。

2 終端的結(jié)構(gòu)及工藝設(shè)計(jì)

為了便于終端設(shè)備的熱分析研究，本手持終端的結(jié)構(gòu)組成簡化為圖1。由圖1可知，手持終端由LCD屏、外殼及各個(gè)模塊組成，發(fā)熱模塊分布在PCB板兩側(cè)，且都位于終端內(nèi)部。在實(shí)際終端中，元器件數(shù)量多，排布緊密，空間有限，為了便于分析計(jì)算，特選取功耗相對較大、尺寸較大、功能相對重要的模塊進(jìn)行分析，其余組件由于發(fā)熱量小，建模時(shí)對其發(fā)熱情況不予考慮[4]，各發(fā)熱模塊的尺寸和功耗如表1所示。為了提高散熱功能，將PCB板和模塊接觸區(qū)域設(shè)計(jì)成漏銅處理。由于實(shí)際終端中有導(dǎo)熱板散熱措施，故PCB板和相應(yīng)模塊簡化成和殼體相互接觸，提高散熱效率。

3 手持終端的熱仿真分析

3.1 外殼材質(zhì)散熱對比分析

在只考慮傳導(dǎo)散熱的情況下，由于與外界環(huán)境最直接接觸的是外殼，故散熱過程盡量將熱量從內(nèi)部導(dǎo)到外殼上散出去。根據(jù)終端的重量和尺寸要求，設(shè)計(jì)過程中要考慮外殼材質(zhì)有塑料和金屬。為簡化模型分析計(jì)算，將外殼材質(zhì)考慮為全塑料和全金屬，根據(jù)材料特性及工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，我們選擇的塑料使用TPU材質(zhì)，金屬采用金屬鋁進(jìn)行分析計(jì)算。

通過熱分析仿真軟件FLoEFD進(jìn)行分析可得出如圖2和圖3所示的分析結(jié)果。從圖2可知，當(dāng)使用塑料TPU材質(zhì)進(jìn)行分析計(jì)算時(shí)，手持終端的外殼溫度分布為85.81～105.99℃；當(dāng)使用金屬鋁材質(zhì)進(jìn)行分析計(jì)算時(shí)，手持終端的外殼溫度分布為89.27～91.27℃。對比兩個(gè)分析結(jié)果可知，當(dāng)使用金屬鋁時(shí)，終端最高溫度從105.99℃降為91.27℃，降低了將近15℃。因此，通過使用金屬材質(zhì)能切實(shí)有效地提高終端的散熱情況。

3.2 對流與傳導(dǎo)散熱對比分析

由于終端內(nèi)部元器件較多，功耗較大，內(nèi)部空間熱流密度較高，使用傳導(dǎo)散熱有一定的局限性，采用強(qiáng)迫風(fēng)冷的方式較易獲得冷卻空氣，將熱量快速帶走[5]，故在終端設(shè)計(jì)的嚴(yán)苛要求下，在終端設(shè)備的合適位置考慮采用強(qiáng)迫風(fēng)冷的方法進(jìn)行分析研究。根據(jù)整機(jī)元器件分布及圖2、圖3熱分析結(jié)果可知，終端頂部溫度較高，故考慮在終端頂部加一風(fēng)扇進(jìn)行散熱分析，結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

在外殼使用金屬鋁材質(zhì)的情況下，在終端頂部加一風(fēng)扇，在終端背部兩側(cè)加兩排進(jìn)氣孔，通過熱仿真軟件FLoEFD進(jìn)行熱分析計(jì)算，可得出如圖5所示的散熱結(jié)果。

由圖5可知，通過加風(fēng)扇進(jìn)行風(fēng)冷散熱，終端的溫度分布為25～46.64℃，尤其在風(fēng)扇冷卻區(qū)域溫度最低，相比沒有風(fēng)扇的傳導(dǎo)散熱溫度下降60℃之多。可見，盡管手持終端的空間有限，元器件過多，但在終端設(shè)計(jì)過程中，盡可能地在合適部位加入風(fēng)扇設(shè)計(jì)對終端散熱是相當(dāng)有利的。

3.3 導(dǎo)熱材料散熱分析

由于手持終端內(nèi)部空間狹小、器件密集、密封性好，故需要采取措施保持終端內(nèi)部的熱平衡，避免熱量集中。根據(jù)傳導(dǎo)散熱原理，增大散熱面積、改變導(dǎo)熱系數(shù)是提高傳導(dǎo)散熱的有效措施。在手持終端外形尺寸確定的情況下，采用較大導(dǎo)熱系數(shù)的導(dǎo)熱材料將熱量從溫度高的區(qū)域傳導(dǎo)到溫度低的區(qū)域，或者傳導(dǎo)到外殼，以提高終端的散熱效率。根據(jù)實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，手持終端中采用的導(dǎo)熱材料如表2所示，采用的填充導(dǎo)熱材料如表3所示[6]。

根據(jù)表2并根據(jù)終端結(jié)構(gòu)特性，可選用銅、鋁及相應(yīng)合金做導(dǎo)熱支架，在散熱的同時(shí)能增強(qiáng)終端的強(qiáng)度。由于石墨具有質(zhì)輕、使用方便、散熱迅速等特點(diǎn)，故可結(jié)合使用石墨散熱膜散熱，提高手持終端的熱量轉(zhuǎn)移效率，將熱點(diǎn)聚集地方的熱量快速傳導(dǎo)到支架及外殼上，提高散熱效率。由于終端中元器件形狀不規(guī)則且相距較近，為降低熱阻，提高散熱效率，在器件及器件和器件及殼體之間填充導(dǎo)熱膠或?qū)釅|。從表3可知，導(dǎo)熱墊的導(dǎo)熱系數(shù)相對較高，故可在手持終端中使用導(dǎo)熱墊促進(jìn)器件間熱傳導(dǎo)，從而促進(jìn)終端內(nèi)部的熱平衡，再結(jié)合其他散熱手段將熱量散出去，從而保證終端設(shè)備正常工作。

4 結(jié)論

通過對手持終端外殼材質(zhì)、傳導(dǎo)和對流散熱方式的對比及散熱材料等方面的分析研究可得出以下結(jié)論。

①使用塑料TPU材質(zhì)時(shí)終端最高溫度是105.99℃，使用金屬鋁材質(zhì)時(shí)終端最高溫度是91.27℃，溫度下降了將近15℃，能明顯提高元器件的穩(wěn)定性，提高終端工作的運(yùn)行性能，為終端合理散熱設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。在終端實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，由于器件和天線工作特點(diǎn)及終端重量要求，可根據(jù)實(shí)際模塊布局情況在溫度高的位置使用金屬材料，在溫度相對低的地方使用塑料材質(zhì)，合理優(yōu)化外殼材質(zhì)的布局，既能提高終端的散熱性能，滿足工作需求，又能滿足終端的設(shè)計(jì)需求。

②當(dāng)使用風(fēng)扇進(jìn)行強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱時(shí)，可將最高溫度91.27℃的區(qū)域降為環(huán)境溫度25℃，這能極大地提高終端的散熱效率，降低終端溫度。在實(shí)際終端設(shè)計(jì)中，由于空間及尺寸的限制要求，進(jìn)行風(fēng)扇設(shè)計(jì)是相當(dāng)困難的設(shè)計(jì)工作，但由熱仿真分析結(jié)果可知，風(fēng)冷對流散熱是一項(xiàng)極其有效的散熱方式，這將給終端的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和散熱設(shè)計(jì)指明方向并奠定理論基礎(chǔ)。

③通過對比不同導(dǎo)熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)可知，在終端內(nèi)部使用金屬銅或鋁支架加強(qiáng)終端結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的同時(shí)，將內(nèi)部溫度快速傳導(dǎo)到外殼，并結(jié)合使用新材料石墨散熱膜提高散熱效率，降低終端溫度。由于空氣熱阻較大，導(dǎo)熱系數(shù)為0.01～0.04，較小，相比導(dǎo)熱材質(zhì)不在一個(gè)數(shù)量級，故通過使用填充導(dǎo)熱材料增強(qiáng)元器件及殼體間的導(dǎo)熱效率，從而促使終端內(nèi)部熱平衡，避免熱量集中，以保證手持終端有效工作。

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