基于Icepak的通信插箱熱分析設(shè)計(jì)

文/李超 王巖 張東閣

1 引言

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，尤其是微電子技術(shù)的發(fā)展，電子元器件和設(shè)備的尺寸正迅速縮小，而功率卻一直增大。使得單位面積容納的熱量越來越多，特別是在惡劣環(huán)境下的電子產(chǎn)品要求必須是全封閉的，降噪條件下的電子產(chǎn)品要求拆去風(fēng)扇，使得電子產(chǎn)品的散熱環(huán)境更差，為了達(dá)到容許的溫度，設(shè)計(jì)人員要提高散熱效率、改善換熱環(huán)境。因此電子設(shè)備的熱設(shè)計(jì)在整個產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中占有越來越重要的地位，在這種環(huán)境下，傳統(tǒng)的熱設(shè)計(jì)方法已經(jīng)很難適應(yīng)需求，為了保證設(shè)備的正常工作，就必須要對電子設(shè)備進(jìn)行科學(xué)的熱設(shè)計(jì)。熱仿真能夠在樣品和產(chǎn)品開始之前確定和消除熱問題，借助熱仿真可以減少設(shè)計(jì)成本、提高產(chǎn)品的一次成功率，改善電子產(chǎn)品的性能和可靠性，減少設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、再設(shè)計(jì)和再生產(chǎn)的費(fèi)用，縮短高性能電子設(shè)備的研制周期。熱分析軟件能夠比較真實(shí)的模擬系統(tǒng)的熱狀況，應(yīng)用熱分析軟件，在設(shè)計(jì)過程中就能夠預(yù)測到各元件的工作溫度值，這樣就可以糾正不合理的排布，取得良好的布局，從而可以縮短設(shè)計(jì)的研制周期。

本文通過對某通信設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行熱仿真分析，確定風(fēng)扇、通風(fēng)口和PCB 之間的流體分布，確定系統(tǒng)的溫度分布，預(yù)估器件溫度，驗(yàn)證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案是否滿足系統(tǒng)散熱要求。本文經(jīng)過研究分析，發(fā)現(xiàn)了原有設(shè)計(jì)方案的散熱風(fēng)險(xiǎn)，并就此提出了改造方案，并對新方案進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

2 箱盒設(shè)計(jì)方案及熱問題描述

本論文主要內(nèi)容針對某電子產(chǎn)品的便攜式測試儀的熱設(shè)計(jì)問題。該測試儀采用376×252×96mm的成品機(jī)殼，機(jī)殼有上下兩部分殼體及兩側(cè)面的擋板組成。設(shè)備內(nèi)包含的主要元器件有一塊電源、一塊顯示器、兩塊板組，其中一塊板組上有兩個體積較大的PC模塊，另一板組上包含兩個CPU芯片。其中CPU芯片和電源是主要的發(fā)熱元件。兩個芯片的耗散功率分別為22W和4.3W,電源的耗散功率為3W。

2.1 熱仿真模型的建立

圖1為元器件建模，圖2為風(fēng)扇與通風(fēng)孔建模，根據(jù)初步結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案建立Icepak計(jì)算模型。該問題的模型主要包括以下幾個部分：

（1）機(jī)盒（Cabinet）：機(jī)盒簡化成376×252×96mm長方體，邊界面采用Icepak默認(rèn)邊界（Steel-Oxidised-surface）來模擬機(jī)殼。該種邊界用來模擬金屬薄壁，可以進(jìn)行導(dǎo)熱、對流及熱輻射計(jì)算。

（2）襯板（Conducting thick plates）：襯板為2mm薄板，用于安裝器件及導(dǎo)熱。可將其簡化為導(dǎo)熱厚板模型，進(jìn)行熱量的傳遞。材料為鋁。

（3）電源（block）：電源由電源模塊外包裹金屬外殼組成。將電源模型簡化成內(nèi)部掏空的長方殼體（由外部實(shí)心長方體和內(nèi)部的空心長方體疊加組成）。定義其發(fā)熱量為3W。

（4）PCB板（Conducting thick plates）：相對于芯片和電源而言，PCB板組本身的發(fā)熱量較小，可以忽略。將PCB板簡化為導(dǎo)熱厚板（Conducting thick plates）模型，可以進(jìn)行熱量的傳導(dǎo)，其厚度為1.6mm。

（5）芯片（sources）：芯片簡化為兩個熱源（blocks），設(shè)定參數(shù)一個為10W，一個為4.3W。

（6）顯示器（hollow block）：忽略顯視屏的發(fā)熱量及導(dǎo)熱量，將其簡化為空心的長方體，作為阻風(fēng)塊參與計(jì)算。

（7） PC模塊（hollow block）：處理方法同顯示器。

2.2 仿真結(jié)果

芯片及PCB區(qū)域溫度分布如圖3，計(jì)算結(jié)果表明系統(tǒng)最高溫度為66.8℃，最高溫度出現(xiàn)在22W芯片上。

圖4為系統(tǒng)內(nèi)的氣流線徑圖，可以看出氣流主要流經(jīng)線路。可以看出風(fēng)扇來流主要沿箱體側(cè)壁流出通風(fēng)孔。

在芯片上方區(qū)域建立切面，觀察其氣流流速，如圖5。可以看出沿氣流路徑流速較大，此速度下對流換熱不充分。且其他區(qū)域流動較小。系統(tǒng)內(nèi)氣流路徑規(guī)則，層流較多，不利于散熱。

3 結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案及仿真驗(yàn)證

3.1 散熱問題分析

由上一方案的仿真結(jié)果可以看出，芯片溫度最高可達(dá)66°。由于該產(chǎn)品的允許使用溫度范圍為0～60℃。顯然，該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案無法滿足設(shè)備的散熱要求。必須對此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)。

3.2 散熱改進(jìn)方案

3.2.1 在襯板上增加肋片，并在芯片與襯板間建立結(jié)構(gòu)連接

銅的的導(dǎo)熱迅速，導(dǎo)熱性能較好。用銅板結(jié)構(gòu)將熱量迅速傳導(dǎo)到襯板上，襯板帶肋片，散熱面積較大，散熱較快，可以有效地控制芯片溫度，提升系統(tǒng)的散熱性。同時，芯片與銅板間需涂抹導(dǎo)熱硅脂以降低接觸熱阻。這一改動之后，系統(tǒng)的主要對流散熱區(qū)域由PCB板調(diào)整至襯板上。

圖1：元器件建模

圖3：芯片及PCB板溫度分布

圖4：氣流線徑

圖5：速度切面

圖6：芯片及PCB溫度分布圖

圖7：改進(jìn)方案氣流線徑圖

圖8：改進(jìn)方案散熱區(qū)溫度分布圖

3.2.2 更改通風(fēng)孔位，將其移至箱盒底部，并增加通風(fēng)孔面積

由于增加銅板導(dǎo)熱后，熱量主要在襯板的肋片中通過與空氣的對流散掉。因此，調(diào)整風(fēng)道，增大肋片周圍的空氣流動，能夠加強(qiáng)襯板肋片的對流換熱，使由芯片傳導(dǎo)至襯板的熱量更快的被散掉，從而改善系統(tǒng)的散熱性能。

修改仿真模型，增加以下幾個部分：

（1）散熱片（solid block）： 三塊銅質(zhì)散熱片（材料為銅），以及一塊帶肋片襯板（材料為鋁型材），簡化為實(shí)體塊（solid block）。

（2）熱阻（resistance）：在銅制散熱片與芯片之間建立二圍熱阻，賦值為0.0025C/W。

（3）襯板：更換襯板模型，新襯板模型增加了肋片結(jié)構(gòu)。

其仿真結(jié)果如圖6-8。

從改進(jìn)方案的仿真結(jié)果來看，氣流經(jīng)襯板與箱體的夾縫流向底面通風(fēng)孔。由于新增加結(jié)構(gòu)件阻礙了風(fēng)扇來流，系統(tǒng)內(nèi)氣流湍流度增強(qiáng)。PCB與芯片上方區(qū)域空氣流動加強(qiáng)。整體流速降低，對流換熱更充分。系統(tǒng)的最高溫度為51.5℃，此時熱性能可以滿足系統(tǒng)的要求。

4 結(jié)論

本論文針對某通信測試設(shè)備進(jìn)行了熱設(shè)計(jì)。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之初，通過熱仿真，確定系統(tǒng)散熱性能，找出系統(tǒng)散熱問題，并對此提出以下幾種改進(jìn)方案：

（1）增加散熱片，將發(fā)熱元件的熱量導(dǎo)出到散熱面積更大的散熱片，使熱量不再集中于發(fā)熱元件區(qū)域，可以有效地降低發(fā)熱元件的溫度。

（2）通過調(diào)整通風(fēng)孔位置及結(jié)構(gòu)件排布，改進(jìn)了風(fēng)道，破壞了層流流動，增加了氣流擾動，使氣流速度得以控制，從而加強(qiáng)了元件與空氣的對流換熱，是系統(tǒng)的散熱性能得到提高。

經(jīng)上述改進(jìn)，設(shè)備的散熱性能增強(qiáng)，元件溫度下降，滿足了系統(tǒng)的散熱要求。