Ⅰcepak在電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

楊青

摘要：伴隨電子產(chǎn)品熱流密度不斷加大，熱仿真系統(tǒng)在熱設(shè)計(jì)方面的使用日益普遍。文章基于某緊湊型大功耗天線罩中設(shè)備的惡劣條件應(yīng)用時(shí)的熱設(shè)計(jì)計(jì)算，分析了熱設(shè)計(jì)的具體思路和常規(guī)設(shè)計(jì)計(jì)劃，并詳細(xì)分析了Ⅰcepak系統(tǒng)在整個(gè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的使用情況，突出了Ⅰcepak系統(tǒng)在熱設(shè)計(jì)方面的關(guān)鍵性。

關(guān)鍵詞：Ⅰcepak系統(tǒng);電子產(chǎn)品;熱設(shè)計(jì);運(yùn)用分析

伴隨電子技術(shù)的不斷進(jìn)步，電子元部件逐漸微型化，而功耗卻不斷提高，使部件與產(chǎn)品的熱流密度不斷加大。統(tǒng)計(jì)表明，電子設(shè)備異常有55%是由于冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理導(dǎo)致的。因此，熱設(shè)計(jì)時(shí)電子產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面不能忽視的重要一環(huán)，科學(xué)的熱規(guī)劃可以有效提高電子元部件及設(shè)備的穩(wěn)定性。

1、概述

圖1 提出了依靠Ⅰcepak（實(shí)線）與傳統(tǒng)規(guī)劃（虛線）的兩類產(chǎn)品研發(fā)模式的對(duì)比。產(chǎn)品研發(fā)者利用Pro/E等大型3D CAD設(shè)計(jì)系統(tǒng)展開產(chǎn)品的3D設(shè)計(jì)，創(chuàng)建產(chǎn)品的仿真樣機(jī)，依靠Ⅰcepak的設(shè)備設(shè)計(jì)用于仿真樣機(jī)上的模擬替代了在物理樣機(jī)上的檢測，如此可以削減甚至去掉物理樣機(jī)的加工，明顯簡化開發(fā)流程，減少研發(fā)成本，提升設(shè)計(jì)效果。所以非常適用于物理樣機(jī)加工周期長、成本昂貴的繁瑣產(chǎn)品研發(fā)。

2、電子產(chǎn)品的散熱方式

2.1傳導(dǎo)

傳導(dǎo)是因?yàn)閯?dòng)能從一個(gè)分子移至另一個(gè)分子而造成的熱傳遞。傳導(dǎo)能夠在固體、液體和氣體中出現(xiàn)，其是在不透明固體內(nèi)出現(xiàn)傳熱的唯一方式。針對(duì)電子產(chǎn)品，傳導(dǎo)是種非常關(guān)鍵的傳熱形式。

采用傳導(dǎo)實(shí)現(xiàn)散熱的方法包括：擴(kuò)大接觸范圍、選取導(dǎo)熱系數(shù)高的物料、減小熱流通路、提升接觸面的表面性能、在接觸面加導(dǎo)熱脂和加導(dǎo)熱墊、接觸壓力平衡等。

2.2對(duì)流

對(duì)流屬于固體表面與流體表面之間傳熱的重要形式。對(duì)流包括自有對(duì)流與強(qiáng)迫對(duì)流，屬于電子產(chǎn)品常見的一種散熱形式。設(shè)備設(shè)計(jì)中提及的風(fēng)冷散熱與水冷散熱均是對(duì)流散熱形式。

2.3輻射

輻射屬于在真空狀態(tài)下傳熱的唯一形式，其是量子由輻射體至吸收體的轉(zhuǎn)變。提升輻射散熱的辦法有：提升冷體黑度、加大輻射體和冷體檢的角值、擴(kuò)大輻射范圍等。

3、Ⅰcepak軟件分析

3.1功能與特征

Ⅰcepak系統(tǒng)是專業(yè)的、面向項(xiàng)目師的電子設(shè)備熱控分析系統(tǒng)，能夠處理各種不同種類與尺度的熱流耦合虛擬問題，在航空與航天電子產(chǎn)品、通信、電氣、電源產(chǎn)品、通用電氣與家電等各個(gè)領(lǐng)域得到普遍使用。

Ⅰcepak系統(tǒng)的特征是：①創(chuàng)模迅速，具有多個(gè)模型直接接口、固有的模型庫、多種外形的幾何模型。②智能網(wǎng)格形成，采取非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格科技，支撐四面體、六面體、柱體和混合網(wǎng)格種類[1]。③普遍的模型性能，具有客戶模擬環(huán)節(jié)所要的多種物理模型，涉及流動(dòng)模型與傳熱模型。④解算作用，采取CFD求解器。⑤可視化后置加工。

3.2虛擬分析流程

1）依靠Ⅰcepak系統(tǒng)所提供的依靠對(duì)象的模型板塊對(duì)部件級(jí)、板級(jí)合系統(tǒng)級(jí)情況進(jìn)行創(chuàng)模。

2）確定邊界條件，像熱流密度、導(dǎo)熱率以及傳熱值、初始溫度等運(yùn)算時(shí)所需要的參量。

3）確定整個(gè)軟件的熱計(jì)算范圍。

4）確定各種材料的物理性質(zhì)。

5）檢測模型與物體定義，對(duì)運(yùn)算范圍實(shí)施網(wǎng)格分類，存儲(chǔ)形成的網(wǎng)格信息。

6）檢測氣流，在求解以前經(jīng)過估算Reynolds與Peclet參量以明確用層流方式或者湍流方式。

7）利用Ⅰcepak求解器讀取存儲(chǔ)的網(wǎng)格信息，設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)，開始求解。

8）檢查求解結(jié)果，借助Ⅰcepak的后處理性能來體現(xiàn)監(jiān)測點(diǎn)的每項(xiàng)參量曲線（如果都收斂，表示網(wǎng)格良好，求解結(jié)果有效）、速度向量切面、氣溫云圖和速度、溫度及壓力最高值等。

4、熱設(shè)計(jì)和虛擬計(jì)算

首先，根據(jù)自然散熱形式對(duì)產(chǎn)品的初始模型實(shí)施摸底計(jì)量，虛擬其發(fā)熱狀況，明確高溫部件的位置和最大溫度等，為后續(xù)的熱設(shè)計(jì)帶來借鑒依據(jù)。然后，依靠摸底計(jì)量的結(jié)果與產(chǎn)品的實(shí)際應(yīng)用狀況展開熱設(shè)計(jì)。

4.1建立CFD模型

模型構(gòu)建包含幾何大小、物性參量、邊界條件的設(shè)置，而物性參量包含材質(zhì)、輻射、人員以及流動(dòng)狀態(tài)。針對(duì)該產(chǎn)品，機(jī)箱箱體中的結(jié)構(gòu)繁瑣，因此依靠Ⅰcepak導(dǎo)進(jìn)CAD初始模型，基于此借助Ⅰcepak模型庫中的Cabinet、Block、Source及PCB分別設(shè)置機(jī)箱的運(yùn)算域、蓋板、熱源以及PCB板。元部件數(shù)量多是該產(chǎn)品的一大特征，為簡化模型提高計(jì)算速度，對(duì)元部件展開了相應(yīng)簡化[2]。基本原則是每個(gè)模塊上只留下發(fā)熱量很大的部件，而忽視發(fā)熱量很小的部件，將這些發(fā)熱功耗等效地加于對(duì)應(yīng)的PCB板上。根據(jù)自然散熱的情況設(shè)置邊界條件，流體是空氣。圖2是該產(chǎn)品的CFD模型。

4.2網(wǎng)格分類

網(wǎng)格分類是整個(gè)虛擬過程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，決定了計(jì)算結(jié)果的穩(wěn)定性。網(wǎng)格種類選取Hexahedral unstructured，依靠這一模型的熱功耗布局情況及結(jié)構(gòu)性質(zhì)，把電源模板、處理板及14路T/R通路分別創(chuàng)建為單獨(dú)的Assembly，建立非持續(xù)網(wǎng)格。在Global Setting內(nèi)啟動(dòng)Mesh Assemblies Separately選項(xiàng)對(duì)這幾個(gè)Assembly展開局域加密實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格分類[3]。網(wǎng)格分類好后點(diǎn)擊Mesh control內(nèi)的Quality選項(xiàng)，測試網(wǎng)格性能。Ⅰcepak包含四個(gè)網(wǎng)格性能判斷標(biāo)準(zhǔn)，而面對(duì)齊是最關(guān)鍵的判定標(biāo)準(zhǔn)，指最小單元值超過0.15就表示網(wǎng)格效果好，最小單元值小于0.05就表示網(wǎng)格不達(dá)標(biāo)。點(diǎn)擊面對(duì)齊選項(xiàng)，呈現(xiàn)最小單元值超過0.15，所以網(wǎng)格效果良好，符合計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)。網(wǎng)格分類情況見圖3。

4.3求解運(yùn)算

模型求解之前要先展開氣流檢測，明確模型流態(tài)。當(dāng)Re<2200時(shí)，流動(dòng)狀態(tài)是層流;當(dāng)Re>2200且Re>104時(shí)，流動(dòng)狀態(tài)是層流過渡為紊流;當(dāng)Re>104時(shí)，流動(dòng)狀態(tài)是紊流。通過計(jì)算Re=1335.8，流程設(shè)定是層流，采取零方程模型。點(diǎn)擊solve進(jìn)行計(jì)算，由于網(wǎng)格質(zhì)量很高，模型殘差曲線迅速收斂。圖4是模型于自然對(duì)流條件下的溫度布局圖。

通過圖4得知，當(dāng)環(huán)境溫度是60℃時(shí)，部件的最大溫度（108.99℃）超出了設(shè)計(jì)需要的極限值（85℃），同時(shí)機(jī)箱中的溫度都超過100℃，針對(duì)這種情況急需對(duì)模型采用科學(xué)的散熱方法。

4.4分析和規(guī)劃改進(jìn)

經(jīng)過對(duì)該產(chǎn)品的運(yùn)行原理、應(yīng)用條件以及周圍環(huán)境等分析能夠發(fā)展設(shè)備有如下幾類熱源：

（1）各元部件、PCB等在局限的密封空間內(nèi)耗散許多熱量，進(jìn)而導(dǎo)致很大的熱流密度;

（2）機(jī)箱中各功能PCB分布緊湊、間距很小且產(chǎn)生了疊層安裝現(xiàn)象，影響內(nèi)部氣流流動(dòng);

（3）密封機(jī)箱經(jīng)過倒流、對(duì)流與熱輻射的方式與周邊環(huán)境實(shí)現(xiàn)熱交轉(zhuǎn)。

針對(duì)類似該設(shè)備的現(xiàn)象，一般的散熱措施是：①增加散熱口;②添加散熱片;③添加風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)強(qiáng)迫對(duì)流散熱;④提升機(jī)箱超外部的散熱性能。

參考文獻(xiàn)：

[1]王娟，楊剛，熊強(qiáng).Ⅰcepak 在電子設(shè)備水冷熱設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].電子機(jī)械工程，2015，（6）：19-21.

[2]于德江，李振超，王歡.Ⅰcepak在電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2014，（23）：37-37，38.

[3]于德江 李振超 王歡.Ⅰcepak在電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2014，0（23）.