一種小型化光電主機模塊的熱設計研究

梁增柱，尹鈺田

（中國電子科技集團公司第三十四研究所，廣西 桂林 541004）

0 引言

隨著科技快速發(fā)展，靈活適應不同空間環(huán)境需求，增加數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務量，據(jù)高數(shù)據(jù)傳輸可靠性都得到了充分滿足。用戶提出了業(yè)務單元由標準的19 英寸的標準機箱要向小型化、模塊化發(fā)展，如VITA46 VPX 標準接口、ATR 接口等。在航空航天等領(lǐng)域，對電子設備的小型化、高密集集成化的需求尤為突出。相比較傳統(tǒng)的機型，搭載體積小、重量輕的設備的機型機動性更強，續(xù)航時間也更長，同時設備的小型化有極高的現(xiàn)場更換或維修效率，贏取寶貴的時間。此外，小型化業(yè)務單元需要有更強的環(huán)境適應性、更穩(wěn)定的可靠性等特征。

小型化業(yè)務單元在解決了上述問題的同時，小型化業(yè)務單元的熱流密度急劇增加，業(yè)務單元的溫度隨之上升從而影響業(yè)務單元的可靠性[1]。根據(jù)以往經(jīng)驗，多半的電子設備失效是由溫度超過規(guī)定的許用值而引起的，由此可見電子設備的熱設計尤為重要[2]。對結(jié)構(gòu)設計提出了很大的挑戰(zhàn)，散熱方面尤為突出，主要特點是：由于設備體積小，內(nèi)部布局緊湊，器件功耗大，空氣流動性差，熱量在狹小的空間不易于快速擴散，元器件在高溫狀態(tài)下長期工作，極易衰老失效，嚴重影響產(chǎn)品的可靠性。

在進行熱設計時，對模塊內(nèi)每個大功率器件的熱特性進行仔細分析和研究，并進行合理布局熱源器件，結(jié)合熱仿真分析，為高熱流密度的小型化光電主機模塊提供有效的熱設計方案。

1 模塊熱技術(shù)狀態(tài)

光電主機模塊采用VITA46 VPX 標準接口，通過鎖緊條固定在19 英寸插箱平臺內(nèi)，各模塊之間有散熱通道，間距為8 mm，散熱器蓋板的散熱齒之間提供風速3 m/s 的強迫風。本次熱設計的工作是確保模塊內(nèi)部的熱量傳導到散熱器蓋板后再向外擴散，保證溫度不超過許用溫度，避免失效。經(jīng)估算，光電主機模塊滿載工況下最大熱耗約為30 W。模塊的本體尺寸為：233.4mm（長）× 160mm（寬）× 45mm（高），主板的外形尺寸為：216.6mm（長）× 139.4mm（寬），子板的外形尺寸為：138mm（長）× 60mm（寬），整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 光電主機模塊整體結(jié)構(gòu)

2 熱耗分布

模塊主要的大功率發(fā)熱器件分布在光電主機模塊1 塊主板和2 塊子板上，且大功率發(fā)熱器件主要分布在在主板上：1 個FPGA，3 個電源芯、4 個封裝芯片，2 塊子板分別分布有8 個光模塊，具體熱耗功率值見表1。經(jīng)估算，光電主機模塊滿載工作時最大熱耗約為30 W，主要的大功率發(fā)熱器件熱耗分布如圖2 和圖3 所示，主要的功率元器件的幾何及熱參數(shù)見表1。

表1 光電主機模塊的熱源分布及仿真結(jié)果

圖2 主板的熱耗分布

圖3 子板的熱耗分布

3 材料熱特性

模塊的盒體、蓋板散熱器材料均采用鋁合金5A06，熱特性參數(shù)：比熱容為921 J/（kg·℃），導熱率為117 W/（m·℃）

4 熱邊界條件

模塊的工作溫度范圍為-45 ℃～+70 ℃，存貯溫度范圍為-55 ℃～+70 ℃。各模塊之間有散熱通道，間距為8 mm，散熱器蓋板的散熱齒之間提供風速3 m/s 的強迫風。

5 熱設計

5.1 總體架構(gòu)設計

模塊結(jié)構(gòu)為半鏤空盒體與上、下蓋板封閉的組合，盒體的中間帶有隔板，分為上下兩個腔體。結(jié)合器件的熱敏感度、功耗大小以及通用質(zhì)量特性要求，主板PCB 和子板PCB 采用分層方式分別安裝于半鏤空盒體的下層和上層。熱源器件采用分層的形式分布，不僅可以有效避免器件之間的熱干擾，也能縮短傳導路徑，實現(xiàn)了快速散熱的預期設想。

5.2 大功率元器件熱設計

熱耗較高、允許使的用溫度較底的光模塊布局在子板上。熱耗較低、許用溫度較高的FPGA、電源芯片、功率器件則布局在主板上。模塊先將大功率元器件傳導到機殼上，冷卻散熱，主板安裝在盒體下層，把發(fā)熱大的FPGA、電源芯片等發(fā)熱器件通過導熱墊與結(jié)構(gòu)盒體的隔板直接接觸，使模塊內(nèi)部產(chǎn)生的熱量通過導熱墊→盒體隔板→下蓋、上蓋散熱器，有部分熱量直接從盒體的側(cè)壁向插箱傳導散熱；子板安裝在盒體上層，光模塊與上蓋板散熱器通過導熱墊直接接觸，快速將熱量傳導到上蓋板。光電主機模塊的主板和子板的大功率器件散熱路徑如圖4 所示。

圖4 光電主機模塊功率器件散熱路徑

5.3 結(jié)構(gòu)熱設計

模塊安裝到插箱后，插箱給予各模塊之間有距離為8 mm 的散熱通道，通道內(nèi)為3 m/s 的強迫風，讓模塊內(nèi)的熱量更快交換到空氣中。光電主機模塊的熱量主要是傳導到盒體側(cè)壁上、上蓋板、下蓋板；上蓋板設計為2.5 mm 高、3 mm 厚、齒間距4 mm 的散熱齒，下蓋板的外表面設計為光面。根據(jù)上述插箱提供的散熱條件，模塊的大部分熱量主要通過強迫風由上、下蓋板對外散熱，剩余少量熱量通過盒體的側(cè)壁自然輻射散熱，因此該部分可忽略不計。

現(xiàn)通過校核計算上、下蓋板的最大散熱量來確定是否滿足模塊散熱要求。在3 m/s 的強迫風下，上蓋板散熱器的最大散熱量應大于子板的總熱量和50%的主板熱量（極端情況下最多50%的主板熱量傳導到下蓋板或盒體側(cè)壁），即：

下蓋板散熱器的最大散熱量應大于主板的75%熱量（極端情況下只有25%的熱量傳導到上蓋板或盒體側(cè)壁），即：

強迫風冷風道內(nèi)對流換熱系數(shù)的計算式為：

式中，hc為換熱系數(shù)[W/（m2·℃）]，J為考爾本數(shù)，G為通道單位面積的質(zhì)量流量[kg/（m2·s）]，Cp為定壓比熱容[J/（kg·℃）]，Pr為普朗特數(shù)。

假設模塊內(nèi)部溫度為80 ℃，環(huán)境溫度為70 ℃，定性溫度：

則查表得空氣的物性參數(shù)分別為：ρ=1.000 kg/m3，Cp=1009 J（/kg·℃），λ= 0.0299 W（/m·℃），0.708，ν= 19.4 ×10-6m2/s。

通道的單位面積質(zhì)量流量為：

根據(jù)通道內(nèi)為3 m/s 的強迫風，則雷諾數(shù)為：

式中，de為特征長度，兩模塊散熱通道為215.9 mm ×8 mm 矩形截面，

因為上蓋板是肋片式散熱器，400 ＜Re＜1500，則：考爾本數(shù)J= 0.72/Re0.7= 0.72/1193.80.7= 0.0051；換熱系數(shù)hc=JG[-2/3]= 0.0051 × 3 × 1009 × 0.708[-2/3]=19.44；散熱器效率由表查得η= 0.69。

上蓋板的最大散熱量為：

式中，F(xiàn)為對流面積，即上蓋板外形表面積，F(xiàn)1= 48 ×10-3m2，Δt為散熱器臺面允許溫升，按最大Δt= 40 ℃考慮。

計算出的上蓋板最大散熱量Q1＞23 W，表明上蓋板結(jié)構(gòu)設計滿足散熱需求。

因為下蓋板是光面散熱器，400 ＜Re＜1500，兩模塊散熱通道為215.9 mm×8 mm 矩形截面，則：考爾本數(shù)J= 6/Re0.98= 6/1193.80.98= 0.0058；換熱系數(shù)hc=JGCp Pr[-2/3]= 0.0058 × 3 × 1009 × 0.708[-2/3]= 22.07；散熱器效率由表查得η= 0.69。

下蓋板的最大散熱量為：

式中，F(xiàn)為對流面積，即下蓋板外表面積即F2= 31.4 ×10-3m2；Δt為散熱器臺面允許溫升，按最大Δt= 40 ℃考慮。

計算出的下蓋板最大散熱量Q2＞10.5 W，表明下蓋板結(jié)構(gòu)設計滿足散熱需求。

上述理論估算結(jié)果表明，模塊結(jié)構(gòu)熱設計合理。

6 熱仿真分析

為考核電子設備在實際應用的空間環(huán)境溫度下，其內(nèi)部電子元器件溫度能否滿足元器件結(jié)溫I 級降額指標要求，需要對其進行熱仿真分析[3-4]。文中使用CAXA 軟件建立模塊的三維模型，運用ICEPAK 熱仿真分析軟件建立模塊的熱模型。

6.1 熱建模

考慮仿真計算效率及模型準確度等因素，對光通信設備結(jié)構(gòu)模型進行了一定程度上的簡化處理：去掉尺寸較小的孔、凸臺、圓角；去掉不必要的倒角；將螺釘連接簡化為有限元模型中結(jié)點之間的自由度耦合等[5]在結(jié)構(gòu)上與分析目標關(guān)系不大的特征。使用CAXA 軟件建立三維模型并進行簡化后，導入ICEPAK 模塊中，劃分網(wǎng)格如5 所示。

圖5 光電主機模塊劃分網(wǎng)格

6.2 熱邊界條件設置

當模塊處于最大功率工作狀態(tài)和最高環(huán)境溫度時，模塊的散熱設計要求能夠保證模塊內(nèi)部元器件結(jié)溫不超過額定要求，模塊性能不會因散熱問題造成下降或失效。本次模擬模塊熱工況時設置的熱邊界條件：在ICEPAK 中對光電主機模塊所有零件和大功率器件賦予熱性能參數(shù)，設置環(huán)境溫度為70 ℃，設置光電主機模塊鎖緊條安裝位置上下表面為恒溫面70 ℃，按圖2 和圖3 中光電主機模塊和元器件熱耗情況加載熱載荷，光電主機模塊蓋板兩面設置3 m/s 強迫風。

6.3 熱仿真結(jié)果及分析

仿真結(jié)果如圖6-8 所示，由圖得知，光模塊的最高溫工作溫度為+76 ℃，F(xiàn)PGA 的最高工作溫度為+72.1 ℃，電源芯片的最高工作溫度為+72.9 ℃，功率器件的最高工作溫度為+81.8 ℃。主要的大功率器件在仿真中平均殼溫見表1。

圖6 光電主機模塊溫度分布（去蓋板）

圖7 光電主機模塊子板光模塊溫度分布

圖8 光電主機模塊主板功率器件溫度分布

上述，仿真結(jié)果顯示所有的功率器件溫度均不超過對應的許用溫度，熱仿真結(jié)果進一步驗證了上述模塊熱設計方案滿足熱環(huán)境條件的要求。

7 結(jié)語

光電主機模塊在+70 ℃工作環(huán)境下，主板、子板的散熱器件分布合理，結(jié)構(gòu)熱設計合理，模塊的熱源得到了有效冷卻散熱。結(jié)合運用熱仿真分析技術(shù)，驗證了該模塊熱設計方案是可行的。為解決高熱流密度的小型化模塊在高溫工作環(huán)境下的散熱技術(shù)問題提供參考價值。