便攜式密封電子設(shè)備的自然散熱設(shè)計(jì)

謝明君，鄭國(guó)宏

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北石家莊050081)

0 引言

據(jù)研究，電子設(shè)備的失效有55%是溫度超過(guò)規(guī)定值引起的［1］。某文獻(xiàn)指出，電子元器件的溫度每上升10℃，其可靠性就會(huì)減半。因此即使是降低1℃也將使設(shè)備的失效率降低一個(gè)可靠的量值，這對(duì)可靠性高的電子系統(tǒng)尤為重要［2］。

熱設(shè)計(jì)的任務(wù)是通過(guò)設(shè)計(jì)和計(jì)算，最終保證設(shè)備能夠工作在給定的環(huán)境條件下正常工作。借助CFD仿真軟件，對(duì)所研究的對(duì)象進(jìn)行熱仿真分析，并為設(shè)計(jì)者提供設(shè)計(jì)依據(jù)和參考，是目前電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)中較為流行的一種設(shè)計(jì)方法。它不僅是一種提高散熱設(shè)計(jì)手段和方法的有力工具，而且對(duì)于提高設(shè)計(jì)水平，減少設(shè)計(jì)反復(fù)，縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期等都具有重要的意義［3］。

1 自然散熱的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

設(shè)備內(nèi)部的熱源為印制板上的電子器件，熱量的流向如圖1所示(實(shí)線(xiàn)代表主要傳熱路徑，虛線(xiàn)代表次要傳熱路徑)。設(shè)備采取自然散熱時(shí)，電子器件的穩(wěn)態(tài)溫度取決于以下3個(gè)方面:①熱源到機(jī)箱外殼的熱阻;②機(jī)箱外殼的輻射散熱能力;③ 機(jī)箱外殼對(duì)流散熱能力。為了降低內(nèi)部器件的溫度，需要從以上3方面入手進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖1 熱流路徑圖

1.1 降低熱源到機(jī)箱外殼的熱阻，提高導(dǎo)熱能力

主要方法有:

①盡可能保證印制板上熱功耗分布均衡，避免局部區(qū)域熱功耗過(guò)于集中而導(dǎo)致元器件溫度過(guò)高;

②功放模塊內(nèi)發(fā)熱量大的芯片直接焊接在屏蔽盒的底板上;

③盡量增大印制板覆銅層的面積，增加印制板自身的傳熱能力;

④印制板四周與屏蔽盒連接的部分加金屬鍍層;

⑤屏蔽盒與印制板的連接面，屏蔽盒與鎖緊裝置及機(jī)箱的連接面應(yīng)保證接觸壓力，而且加入導(dǎo)熱填料，如涂導(dǎo)熱硅脂，減少接觸熱阻［4］;

⑥對(duì)功耗較大的器件如:A/D、FPGA等，設(shè)計(jì)導(dǎo)熱塊將熱量直接傳遞給屏蔽盒。

1.2 提高輻射散熱能力

提高輻射散熱能力的方法有:

①機(jī)箱和模塊除了接觸部分為導(dǎo)電氧化，其余部分均涂三防漆;

②隔熱板作為機(jī)箱和功放模塊之間的隔熱墻，為了提高其隔熱能力，設(shè)計(jì)其表面粗糙度為3．2并進(jìn)行導(dǎo)電氧化;

③散熱片的設(shè)計(jì)考慮相鄰的散熱片之間相互熱輻射，設(shè)計(jì)間距要大于6 mm;

④如果體積允許，功耗較大的模塊需要交叉排布。

1.3 提高機(jī)箱外殼的對(duì)流散熱能力

圖2 熱仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)流程

便攜式密封電子設(shè)備內(nèi)部元器件所釋放的熱量全部由機(jī)箱外殼吸收，通過(guò)對(duì)流換熱與熱輻射，將熱量散發(fā)到大氣熱沉中［5］。機(jī)箱起到一個(gè)熱交換器的作用［6］。為了獲得溫度控制與體積重量的平衡，利用熱仿真軟件ANSYS-Icepak進(jìn)行熱仿真，優(yōu)化機(jī)箱外形結(jié)構(gòu)參數(shù)，流程如圖2所示。

2 便攜式超短波設(shè)備熱設(shè)計(jì)

為了滿(mǎn)足電磁屏蔽及防雨要求，某便攜式超短波信號(hào)模擬器采用全密封結(jié)構(gòu)，整機(jī)重量要控制在15 kg以下。設(shè)備內(nèi)部采用模塊化設(shè)計(jì)。機(jī)箱采用六面板式拼裝，每個(gè)面用防銹鋁5A06－F銑削加工成型，面與面接觸部位加裝防水橡膠條。結(jié)構(gòu)如圖3所示，設(shè)備總共有6個(gè)外表面，前面板為操作面板，后面板用于固定電池包，其余4個(gè)面作為主要的散熱面。電源模塊和功放模塊是由于熱功耗相對(duì)比較大，是散熱設(shè)計(jì)重點(diǎn)考慮的對(duì)象，將電源模塊和功放模塊分別通過(guò)螺釘固定在機(jī)箱的左右兩側(cè)，利用機(jī)箱的左右側(cè)板進(jìn)行散熱，其余的模塊通過(guò)楔形鎖緊裝置與上下蓋板固定，利用機(jī)箱上下蓋板進(jìn)行散熱。由于功放芯片一方面熱功率密度大，另一方面也具有溫度耐受能力強(qiáng)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)隔熱板將功放封閉在由隔熱板和機(jī)箱右側(cè)板組成的金屬腔體里(以下簡(jiǎn)稱(chēng)A腔，其余功能模塊加電源組成的腔體稱(chēng)為B腔)。

圖3 分機(jī)組成圖

3 熱仿真及優(yōu)化

A腔和B腔中間加裝隔熱板，對(duì)于散熱可以認(rèn)為A腔和B腔是2個(gè)獨(dú)立的結(jié)構(gòu)部分，分別針對(duì)兩部分進(jìn)行熱仿真及優(yōu)化。

3．1 A腔的熱設(shè)計(jì)

A腔內(nèi)功放模塊總功耗為89 W，最高許用殼溫為100℃。為避免電磁干擾，功放模塊采用屏蔽盒的結(jié)構(gòu)形式，通過(guò)螺釘固定在機(jī)箱的右側(cè)板上，接觸面墊銦片。在機(jī)箱的右側(cè)板銑出肋片，增大散熱面積并幫助建立氣流上升的通道。

肋片的設(shè)計(jì)是自然散熱設(shè)計(jì)重要環(huán)節(jié)之一［7］，其設(shè)計(jì)參數(shù)為肋厚、肋高和肋間距，當(dāng)散熱面尺寸一定時(shí)，減小肋間距，則肋化系數(shù)增加，熱阻降低，但由于流體的粘滯作用，肋間距過(guò)小將引起換熱效果變差;肋片厚度越大意味著總的肋片數(shù)量越小，相應(yīng)散熱面積變小，縮小肋片厚度可以獲得更多的散熱面積，但肋片過(guò)薄會(huì)造成結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低及肋片效率降低;肋片增高可增加散熱面積，但過(guò)高會(huì)降低剛度且增加重量。因此，散熱肋片的設(shè)計(jì)是一個(gè)需要綜合考慮的問(wèn)題。

散熱面尺寸確定后，肋片厚度不變時(shí)，散熱片的間距增加時(shí)，肋片個(gè)數(shù)隨之減小，功放芯片的殼溫呈一個(gè)U型曲線(xiàn)，存在一個(gè)波谷―最低殼溫，通過(guò)改變肋片參數(shù)，使用ANSYS-Icepak對(duì)A腔模型進(jìn)行熱仿真，獲得不同肋片間距條件下功放芯片殼溫的對(duì)比，如圖4所示。

圖4 不同肋片間距下的殼溫對(duì)比

在肋片厚度3 mm，間距12 mm，高度35 mm時(shí)芯片的殼溫最低為106．9℃。對(duì)于功放模塊這類(lèi)點(diǎn)熱源的散熱，鋁底板導(dǎo)熱能力有限，必須采用導(dǎo)熱能力更高的材料替換才能降低殼溫，紫銅的導(dǎo)熱能力是鋁的1．8倍，密度是鋁的3．3倍。為了取得導(dǎo)熱能力和重量的平衡，整體采用鋁板，在芯片下方采用釬焊的方式嵌入紫銅板。3種形式的底板對(duì)殼溫的影響如圖5所示，鋁嵌銅底板和紫銅板相比殼溫僅升高了1．65℃，重量下降了400 g。

圖5 不同材料條件下的殼溫對(duì)比

肋片的高度與其散熱能力并非純粹的線(xiàn)性關(guān)系，從圖6中可以看出肋片從15 mm提升至35 mm，芯片殼溫下降3．9℃，再提升至55 mm時(shí)，殼溫僅下降1．1℃，加高肋片的意義已經(jīng)不大了。出于設(shè)備重量及經(jīng)濟(jì)性的考慮，設(shè)計(jì)肋片高度為35 mm。優(yōu)化后的的A腔的溫度云圖如圖7所示，芯片殼溫為93．69℃，滿(mǎn)足功放對(duì)于溫度要求。

圖6 不同肋片高度的殼溫對(duì)比

圖7 A腔溫度云圖

3．2 B腔的熱設(shè)計(jì)

B腔內(nèi)的模塊總功耗為59 W，最高許用溫度為90℃。可利用的散熱面積較大，在滿(mǎn)足散熱要求的前提下，盡量減輕散熱片的重量從而控制整機(jī)的重量是熱設(shè)計(jì)的首要目標(biāo)。設(shè)計(jì)3個(gè)散熱面的肋片厚度為2 mm，肋片間距為12 mm，肋片高度為3 mm，總的散熱面積為4 672 cm2。仿真結(jié)果如圖8所示。

圖8 B腔溫度云圖

印制板上最高溫度為84．69℃，電源模塊的最高溫度為71．37℃，均符合溫度要求。設(shè)計(jì)的肋片僅有3 mm，即保證了滿(mǎn)足了散熱要求，也減輕了機(jī)箱的重量，同時(shí)還保證了機(jī)箱骨架一定的剛度。

4 結(jié)束語(yǔ)

依據(jù)優(yōu)化設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)參數(shù)制作了樣機(jī)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，環(huán)境溫度55℃條件下，設(shè)備工作正常，整機(jī)重量為13．9 kg，滿(mǎn)足要求。便攜式密封電子設(shè)備的熱設(shè)計(jì)首先需要分析設(shè)備的熱流路徑，其次要采取措施降低各個(gè)傳熱路徑的熱阻，最后要對(duì)機(jī)箱外殼的散熱結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過(guò)對(duì)便攜式超短波設(shè)備的自然散熱設(shè)計(jì)，可以得出以下結(jié)論:

①熱仿真軟件能夠提高設(shè)計(jì)的精細(xì)化程度，是優(yōu)化設(shè)計(jì)的有力手段;②鋁板嵌銅能夠平衡底板導(dǎo)熱能力與重量之間的矛盾，適用于有重量限制的高導(dǎo)熱需求;③隔熱板可將設(shè)備的高溫區(qū)隔離，將設(shè)備分解為兩部分考慮散熱，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，實(shí)踐證明是可行的;④自然散熱設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之一是機(jī)箱外殼散熱肋片的設(shè)計(jì)，針對(duì)不同的散熱量及目標(biāo)溫度，散熱肋片的最優(yōu)參數(shù)也不相同，需要根據(jù)散熱功耗，許用殼溫及重量限制等統(tǒng)籌考慮。

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