基于正交設計的密封機箱散熱翅片的參數仿真優化

陳俊桃，蘇關云，楊 虎，廖 銳

(成都西科微波通訊有限公司，四川 成都 610031)

0 引 言

隨著現代電子技術的發展，電子設備產品的集成度越來越高，隨之而來的電子器件在單位體積內的發熱量大增。對于電子設備密封機箱來說，因不能依靠外裝風機進行強迫風冷，僅能依靠自然對流及熱輻射進行散熱，因此密封機箱對散熱設計的要求更高。對于外形尺寸確定的機箱，需要確定散熱翅片的各參數的最佳值，筆者擬采用正交設計方法，利用ICEPAK軟件仿真分析各個參數值下的芯片溫度值，通過極差分析散熱翅片各個參數對功放芯片溫度的影響規律，為后續類似密封機箱散熱翅片的的設計提供參考。

1 某型密封機箱設計要求

某型密封機箱外形如圖1所示，外形尺寸為310 mm×307.5 mm×70 mm，底部設計有散熱翅片，內部安裝有功放板、工控板、DC/DC電源等，其中功放板對散熱的需求最大。該功放板含有4個功放芯片，每個功放芯片功耗6W，因此功放板的散熱設計是該密封機箱設備能否正常工作的關鍵。

圖1 某密封機箱外形示意 圖2 散熱翅片截面示意圖

圖2為該密封機箱散熱翅片的外形示意，其包含四個參數，翅片厚度A，基板厚度B，翅片間距C，翅片高度D。根據傳熱學[1-2]，密封機箱自然散熱時，散熱量決定于機箱表面積，而四個參數的數值直接關系到機箱表面積，進而影響內部器件的散熱。因此，對于該型外形尺寸確定的機箱，為確定散熱翅片的各參數的最佳值，筆者采用正交試驗設計方法，利用ICEPAK軟件仿真分析，通過極差分析得出散熱翅片各個參數對功放芯片溫度的影響規律，從而確定該型密封機箱散熱翅片的最佳參數值。

2 正交試驗設計

采取四因素三水平正交表L9(34)見表1。以功放芯片溫度為考核指標，建立正交試驗設計表2。

表1 正交試驗因素水平表 /mm

表2 正交試驗設計表 /mm

3 熱仿真分析

采用ICEPAK熱仿真分析軟件[3]，在保證仿真模型不失真的前提下，對仿真模型進行了部分簡化，機箱內部僅保留功放芯片，去除結構件安裝孔及其他散熱要求不高的模塊。為保證功放芯片可靠散熱，設計時在功放芯片下面墊一塊銅板，銅板再與散熱翅片接觸，最終建立熱仿真分析模型如圖3所示。功放芯片與銅板、銅板與散熱翅片之間的接觸熱阻設置為0.000 1 ℃·m2/W，環境溫度設置為55℃，外界環境設置為純自然對流環境。

圖3 熱仿真分析模型(隱藏上面板)

依據正交試驗設計表，共有9個仿真試驗組，各組仿真結果溫度分布云圖見圖4所示，各組芯片最高溫度見表3所示。

表3 ICEPAK仿真分析功放芯片溫度表

圖4 各仿真試驗組結果溫度分布云圖

4 結果極差分析與討論

4.1 結果極差分析

根據表4極差分析可知，散熱翅片各參數對功放芯片溫度的影響主次順序為：D(翅片高度)>B(基板厚度)>C(翅片間距)>A(翅片厚度)，翅片高度和基板厚度對芯片溫度的影響最大，翅片間距和翅片厚度的影響次之。為使芯片溫度最低，散熱翅片的最佳參數為A1B3C2D3。這一方案是否為最佳方案，需要進一步仿真驗證。

表4 極差分析表

4.2 討 論

根據極差分析表可得散熱翅片各參數對功放芯片的影響曲線見圖5所示。從圖5可以看出，在正交設計表所取的數值范圍內，芯片的溫度隨著基板厚度與翅片高度的增加而逐漸降低；隨著翅片厚度的增加呈現先升高后降低的趨勢；隨著翅片間距的增加呈現先降低后升高的趨勢。

圖5 散熱片各參數對芯片溫度的影響

對于散熱片的翅片高度和基板厚度，其尺寸的增加對于散熱片散熱性能的提高大有好處，但基板厚度增加太大，會影響整體設備的重量，因此，在設計散熱片時，為提高散熱片散熱性能，優選增加散熱片的翅片高度。

對于翅片間距和翅片厚度，其尺寸對散熱片散熱性能的影響最不顯著，因此，在可能的情況盡可能增加翅片的厚度和翅片的間距，這樣可以減小機械加工的難度，而對散熱片最終的散熱性能影響不是很大。

4.3 驗證試驗

通過極差分析，初步確認對于該密封機箱的最佳散熱片參數見表5所示。

表5 最佳散熱片參數值

基于該散熱翅片的參數，利用ICEPAK熱仿真分析軟件繼續對該密封機箱進行仿真分析，其溫度分布云圖見圖6所示。

圖6 溫度分布云圖

芯片最高溫度為80.9 ℃。該溫度值FZ3僅相差0.4 ℃，考慮最后散熱翅片的加工工藝，且由于翅片間距對散熱翅片的最終散熱性能影響不顯著，對于該密封機箱的散熱翅片的最佳散熱參數取值為：翅片厚度1.5 mm，基板厚度4 mm，翅片間距10 mm，翅片高度35 mm。

5 結 論

基于正交試驗設計，利用ICEPAK熱仿真分析軟件，模擬分析密封機箱在純自然對流的情況，散熱翅片各參數對機箱內部散熱器件或模塊的溫度影響規律，得出以下結論：

(1) 翅片高度對散熱翅片的散熱性能影響最顯著，當需要提高散熱片的散熱性能時，可優選考慮適當增加翅片的高度。

(2) 翅片厚度與翅片間距對散熱翅片的散熱性能影響不顯著，在滿足加工工藝要求的情況下，可適當減小翅片厚度，增大翅片間距，這樣既可滿足密封機箱對散熱性能的要求，又可減輕整個設備的重量。

文中通過正交試驗設計的方法對密封機箱進行熱仿真研究，為密封機箱的散熱翅片設計提供了參考依據，同時也對其他類似機箱的散熱設計具有借鑒意義。