一種數字模塊的結構及散熱綜合設計

唐 兵

(南京雷電信息技術有限公司，江蘇 南京 210012)

0 引 言

隨著電子設備向著小型化、輕型化發展，內部功能模塊由于受安裝空間的限制，在進行結構設計時需兼顧散熱設計及減重設計，力求達到既滿足重量輕、結構形式合理，又能夠耗散更多熱量的目的。目前，工程技術人員經常需要解決大功耗、高熱流密度給電子設備帶來的難題。這是由于電子元器件性能受溫度影響顯著，溫度的升高將導致功能模塊性能急劇降低甚至完全損壞。著名的“10 ℃法則”鮮明地指出了散熱設計的重要性：“半導體器件的溫度每升高10 ℃，其可靠性就會降低50%”。因此，散熱設計成為發熱模塊結構設計中的關鍵環節。本文根據工程實際，設計了一種安裝于便攜機箱的數字模塊，在有限尺寸內對該模塊的結構及散熱2個維度進行綜合設計。即設計思路分為：結構設計時，應選擇密度低、強度大的金屬材料，結構形式盡量簡單；散熱設計時，應選擇導熱系數高的材料，考慮散熱齒等較復雜結構形式。因此，需要在保證模塊核心電子器件溫度不超安全值的情況下，兼顧結構減重設計，找到二者的平衡點。利用目前常用的熱仿真軟件Icepak對模塊散熱進行分析，對整個設計過程進行詳細的闡述，為結構形式優化提供參考依據。

1 結構設計

根據數字板尺寸，要求數字模塊尺寸不超過165 mm×115 mm×30 mm。由數字板上最大器件的尺寸以及外接接口形式，且考慮便于后期安裝拆卸維護，初步確定數字模塊的結構由盒體(1)、數字板(2)、散熱板(3)、左封板(4)、上封板(5)及右封板(6)組成，數字模塊經優化后的結構形式如圖1所示。

圖1 數字模塊示意圖

為滿足模塊輕量化要求，盒體等結構件均采用鋁合金6063材料銑削加工成型。該材料不僅具有較高的力學性能，而且具有優良的導熱系數，能夠充分將熱量耗散到周圍的空氣中。

2 熱設計

數字板安裝有3個主發熱器件，總發熱功耗為12 W，要求在+20～+45 ℃環境溫度下模塊均能正常工作，且敏感器件許用結溫不大于85 ℃。計算模塊表面熱流密度約為0.026 W/cm，根據圖2所示，初步確定模塊可采用自然散熱+輻射方式進行散熱。散熱板與數字板上發熱器件對應位置設計向內的凸臺結構，如圖3所示。凸臺與器件接觸面通過導熱襯墊充分擠壓消除空氣薄膜熱阻，使熱量傳導充分，模塊傳熱路徑為：發熱器件→導熱襯墊→散熱板凸臺→散熱板(齒)→周圍空氣。

圖2 按熱流密度、溫升選擇冷卻方式[4]

圖3 散熱板凸臺結構示意

2.1 理論計算

2.1.1 自然散熱

由于該數字模塊任意方向上的幾何尺寸均小于600 mm，且空氣的物性參數在20～200 ℃范圍內，可用下列簡化公式對自然散熱量進行計算：

==25Δ125025

(1)

式中：為熱流密度(W/m)；為熱流量(W)；為換熱面積(m)；為由查表確定的系數；Δ為換熱表面與空氣的溫差(℃)；為自然對流時的特征尺寸(m)。

的數值由格拉曉夫數與普朗特數的乘積確定，其表達式分別為：

(2)

(3)

式中：為體積膨脹系數(1/℃)；為重力加速度(m/s)；為空氣運動黏度(m/s)；為空氣動力黏度(kg/(m·s))；為空氣定壓比熱(J/(kg·℃))；為空氣的導熱系數(W/(m·℃))。

數字模塊表面的對流換熱面積=0.047 m，所以由自然散熱散掉的熱量=·=219×0047=103 W。

2.1.2 輻射散熱

溫度升高引起物體內部電子振動和激發，物體將會以電磁波的形式向外發射能量進行輻射散熱。單位面積由輻射散掉的熱量為：

(4)

式中：為物體的發射率；、為物體及空氣的絕對溫度，單位K。模塊結構件均采用鋁合金材料，所有金屬表面均經過導電氧化處理，經查表可知表面發射率為0.4，由式(4)可得由輻射散熱散掉的熱量為:

=·=567×04×

綜上，由自然散熱和輻射散熱散掉的總熱量為=+=16 W，大于數字模塊總散熱功耗。

2.2 仿真分析

根據散熱路徑分析，散熱板結構直接關系到模塊整體散熱效果，從初始結構出發，對比幾種散熱板結構形式，以器件溫升作為優化目標，并兼顧考慮散熱板重量，從而達到最優結構形式。為此，按迭代優化過程、散熱板結構形式分別取5種代表結構，如圖4所示。

圖4 散熱板結構(剖面)示意圖

圖4中各散熱板結構參數如表1所列，由于數字板上其他非發熱器件尺寸限制，散熱齒均在相同尺寸平面區域內均勻對稱排布。

表1 散熱板結構參數表

利用Icepak熱仿真軟件對該模塊進行仿真分析步驟為：

(1) 建立熱分析工程文件，設置包括環境溫度、空氣流動狀態(層流)、輻射模式、求解域等邊界條件。

(2) 對SolidWorks創建的三維結構模型進行簡化處理，刪除螺釘、連接器等無需考慮散熱的零件，修復沉孔、螺紋孔、圓角、倒角等不影響散熱的結構特征。

(3) 將簡化后的三維模型導入Icepak軟件，轉化為熱仿真模型，并對各結構件賦予相應材料(金屬結構件均為鋁合金6063-T5)、功耗(主發熱器件功耗10 W，其他發熱器件功耗均小于1 W，按1 W賦值)。

(4) 網格劃分與局部網格加密，直至達到既不影響計算效率，又能對核心散熱器件、結構件劃分較密的狀態。

(5) 檢查、求解與后處理。分別對(a)～(e)5種模塊結構進行仿真分析，分別得到環境溫度為+20 ℃和+45 ℃的溫度云圖如圖5～圖9所示。

圖5 模塊結構(a)溫度云圖

圖6 模塊結構(b)溫度云圖

圖7 模塊結構(c)溫度云圖

圖8 模塊結構(d)溫度云圖

圖9 模塊結構(e)溫度云圖

仿真分析設置迭代次數100次，每種結構均在迭代到50～60次時收斂，殘差收斂曲線如圖10所示。

圖10 仿真分析殘差收斂曲線

溫度云圖表明最大溫升均處于35～40 ℃內，這與理論計算值吻合，且敏感器件結溫均不超過85 ℃。為了便于分析，對以上模塊散熱及散熱板重量結果進行統計，如表2所示。

表2 模塊散熱及散熱板重量數據統計

敏感器件殼溫與結溫關系滿足以下公式：

=+·

(5)

式中：為敏感熱器件發熱功耗，=10 W；為敏感器件結殼熱阻，=0.46 ℃/W。

從以上模塊仿真溫度及散熱板重量統計數據可以得出以下結論：

(1) 對比結構(a)與(b)：由初始無散熱齒到有散熱齒，散熱板重量幾乎不變，但敏感器件結溫下降，故結構(b)優于結構(a);

(2) 對比結構(b)與(c)：增加散熱齒數，散熱板重量增加，但敏感器件結溫幾乎不變，故結構(b)優于結構(c)；

(3) 對比結構(b)與(d)：成倍加深散熱齒深度，“似乎”增加了散熱面積，但以散熱板重量增加為代價并沒有換來敏感器件結溫明顯下降，故結構(b)綜合考量優于結構(d)；

(4) 對比結構(b)與(e)：減少散熱齒齒數增大齒間隙，散熱板重量幾乎不變，敏感器件結溫幾乎相同，需再進行力學分析比較，由于該模塊實際使用環境振動要求較低，故結構(b)與結構(e)可視作等效結構。

根據以上優化設計過程可推測：散熱齒深度設計成近似基板厚度，可降低模塊溫升，而當散熱齒布置區域面積一定時，增加或減少散熱齒齒數、厚度、間隙等參數對模塊溫升影響較小。

綜上，本文選擇結構(b)作為最終結構形式，并按該結構形式加工組裝了數字模塊，成功應用于工程實際，如圖11所示。

圖11 數字模塊實物

3 結束語

本文詳細闡述了數字模塊結構及散熱的設計過程，通過對幾種結構形式仿真計算結果對比，確定了一種最優結構形式。該模塊結構既能滿足子器件溫度要求，同時也實現了重量相對較輕的目標，而且該結構形式可靠，外形美觀，為同類型其他模塊設計提供了設計依據。