熱設計在光電產品上的應用

田 也

（凱邁（洛陽）測控有限公司，河南 洛陽 471000）

目前，電子設備工業正處于高速發展階段，其產品的應用已經遍布各個領域，并在發展過程中取得了很多優異的成果，尤其是硅集成電路的問世和半導體晶體管制造技術的快速發展，得以將更多的晶體管集成到單一的芯片內，使得單芯片的熱功率變得越來越大。

近些年來，國外有很多學者和技術人員都致力于研究和發展完善熱分析技術，共同目的是更加高效、準確地獲得各種電子設備組件的溫度分布，為電子設備產品的設計過程提供溫度參考。而在光電領域，隨著光電產品小型化和集成度要求的提高，光電產品對熱設計和熱分析的要求也越來越高。文章根據某個型號產品內跟蹤板收發模塊暴露出局部熱集中的問題，利用熱計算與熱分析對該收發模塊的散熱結構進行優化設計，并最終解決問題。

如下圖1所示，該收發模塊布置在球殼內的跟蹤板上，其耐熱性能差。過高溫度容易影響其工作。

圖1

由于平臺結構及其安裝位置限制，無法通過傳導的方法直接將其發熱量傳遞到球殼上。另外根據功能需求，球殼整體是密封結構，所以只能通過輻射和對流的方式進行散熱。

該器件的熱特性見表1。在對平臺做65℃高溫試驗時，測得該收發模塊周圍的環境溫度為70℃，器件表面溫度為82℃，大于其耐熱溫度75℃，需要對其進行散熱設計。

表1 熱特性

1 結構分析

結合前面的分析，跟蹤板安裝在某傳感器上，因空間限制，不便于直接將收發模塊上的熱量傳導到基板上，見圖2，只能通過對流和輻射方式對其進行散熱。

圖2

2 確定器件表面對流系數

2.1 輻射熱量Qf確定

這里：Qf—輻射熱量（瓦）；ε1—物體表面黑度，對于鋁材取0.4；S1—參與輻射的表面積；C0—黑體的輻射系數，其值為5.67瓦/米2*K4；T1—物體溫度（K）；T2—周圍空氣溫度（K），經過試驗知道模塊表面溫度為82℃.

將 S1=1835mm2，T1=（273+82）K，T2=（273+70）K帶入，得：

2.2 對流熱量Qd確定

Qd=1-0.085=0.915(瓦)

2.3 對流系數α確定

根據 Qd=α×S×（t2-t1）

這里S為對流面積，t2—物體表面溫度；t1—周圍空氣溫度得出：

2.4 借助有限元軟件進行模擬分析

將對流系數α=41.5(瓦/米2*℃)、加熱功率1瓦作為邊界進行有限元分析，得出收發模塊表面溫度為82.108℃～82.635℃，與實際測試接近，見圖3。

圖3

由于輻射熱量小，這里沒考慮該部分的貢獻，選擇換熱方式時會更加保守和安全。

由于該器件最高耐溫是75℃，所以需要提高換熱效率。擬通過增加散熱器和風扇等措施進行強迫風冷。

3 確定散熱片結構

根據平臺內部布局和器件安裝情況，設計如圖4、5所示散熱器。

圖4

圖5

將對流系數 α=41.5(瓦/米2*℃)、加熱功率 1 瓦作為邊界條件進行有限元分析[4]，得出收發模塊表面溫度為71.86～72.874℃，小于75℃的耐溫要求，見圖6。與耐溫75℃相比還有2.5%的余量。

圖6

4 選擇風扇

首先確定風扇的氣流量Q。

（1）由于散熱片高度H僅為6mm～8.5mm，按層流換熱方程進行計算。

（2）定性溫度確定

式中：tw為壁面溫度，這里為73℃；tf為空氣溫度，70℃。

得出：

（3）根據定性溫度選取各物理參數為：

定性溫度條件下空氣的導熱系數λf=2.98×10-2瓦/米×℃；

定性溫度條件下空氣的粘度μf=20.18×10-6米2/秒。

（4）所以：努謝爾特數 Nuf=αH/λf=41.5×6×10-3/2.98×10-2=8.4；

（6）根據雷諾準則：Ref=ωH/ν（ω為空氣的流速），得出：

（7）風扇的氣流量計算：Q=ω×S（S為散熱片垂直于風向的橫截面積），根據散熱器結構得S=1660mm2，所以：

5 根據氣流量選擇風扇

由于安裝空間限制，風扇無法直接靠近器件，估計風扇有效流量僅有30%，所以風扇流量至少需要3.23/30%=9.693.23m3/h。據此選擇RS風扇191-890，其參數如表2所示：

-10～90℃電源電流（m A）40×40×6 40 191-890工作溫度范圍規格m m氣流(m 3/h）10風扇速度（r p m）7000噪音級別（d B）工作電壓（V）32 12庫存號

至此完成對該器件的散熱設計。

6 結 語

文章提出了有限空間內對跟蹤板收發模塊的熱設計與熱分析方法。經對分析結果進行試驗驗證，證明了分析過程與結果的正確性。對類似產品的熱分析具有指導意義。