一種加固計算機熱設(shè)計開發(fā)*

楊 林， 周 堯， 喬衛(wèi)華

(西安航空計算技術(shù)研究所，陜西 西安 710065)

0 引 言

隨著芯片的集成度越來越高，功能越來越強大，基于芯片設(shè)計的電子模塊集成度也越來越高，這促使航空電子計算機向著集成化、模塊化、小型化的方向發(fā)展，高集成度的航空計算機所處的環(huán)境較為惡劣，必須經(jīng)受高溫、低溫、高濕、高鹽霧、強電磁兼容等惡劣環(huán)境考驗。特別是高溫環(huán)境，已成為影響航空計算機的可靠性的主要因素[1]。有數(shù)據(jù)顯示，電子設(shè)備的失效有55%是由于溫度超過規(guī)定值而引起的，電子設(shè)備的失效率隨工作溫度成指數(shù)關(guān)系增長[2]。在整機設(shè)計過程中，結(jié)構(gòu)設(shè)計師需要在滿足電路功能的前提下，不僅要考慮整機功耗、重量要求、模塊布局、安裝位置等和熱設(shè)計相關(guān)的因素，還要考慮振動條件、強度剛度要求等方面的因素。此項研究中的加固計算機在滿足電路功能，重量要求，試驗環(huán)境等前提下，采用合理設(shè)計，多次仿真迭代，使其散熱性能滿足用戶要求。

1 加固計算機熱設(shè)計方案

加固計算機包括機箱、母板、PS模塊、MCU模塊、BCU模塊、DLP模塊、MBI模塊、記錄模塊等7個組件，功能模塊可以達到LRU(現(xiàn)場可更換單元)級別。加固計算機的外形尺寸為328 mm×194 mm×124 mm(長×高×寬)，功能模塊由印制板、連接器、拔插組件、鎖緊塊、冷板等組成。機載電子設(shè)備的散熱方式有自然散熱、強迫風(fēng)冷、液冷等散熱方式。自然散熱方式可靠性高，成本低，不需要額外的供風(fēng)系統(tǒng)，是機載電子設(shè)備最常采用的散熱方式。由于加固計算機的安裝環(huán)境所限，綜合考慮計算機的安裝位置、臨近設(shè)備功耗、所處環(huán)境、模塊的功率密度等因素，加固計算機采用自然散熱方式進行散熱。最終確定加固計算機的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

由于加固計算機采用自然散熱方式，相應(yīng)的功能模塊的熱設(shè)計重點為減小芯片和冷板之間的熱阻，減小冷板和機箱的熱阻，提高機箱外表面和空氣的換熱能力。通過合理增加冷板厚度，增加模塊與機箱的接觸面積、接觸壓力、增大機箱的散熱面積等。最終確定功能模塊的結(jié)構(gòu)圖如2所示。

圖1 加固計算機結(jié)構(gòu)圖 圖2 加固計算機典型模 塊結(jié)構(gòu)圖

2 熱仿真分析

2.1 建立模型

加固計算機的熱仿真使用FLOTHERM軟件進行。一般地，需要對原始加工模型進行適當(dāng)簡化來提高運算速度，在不影響計算精度的前提下，對仿真模型進行一系列的簡化[3]。

(1) 簡化計算機內(nèi)部和外部的圓角、螺紋孔、凸凹特征等對散熱影響很小的結(jié)構(gòu)特征；

(2) 簡化計算機接線區(qū)、連接器、連接板等對熱仿真結(jié)果影響較小的無功耗組裝件；

(3) 簡化模塊和印制板上的各種修飾特征，如倒角、刻字等；

(4) 簡化對仿真結(jié)果影響很小的標(biāo)準(zhǔn)緊固件，如國標(biāo)螺釘、螺母、彈墊、平墊等。

通過一系列合理簡化后得到加固計算機的仿真模型如圖3所示。

圖3 加固計算機熱仿真模型

2.2 網(wǎng)格劃分

熱仿真網(wǎng)格劃分原則是：翅片間隙內(nèi)網(wǎng)格不少于3個，整機網(wǎng)格最大縱橫比小于20，芯片厚度方向網(wǎng)格大于3個，關(guān)注的重點芯片網(wǎng)格最大縱橫比小于10[4]，同時，在必要的區(qū)域進行適度的網(wǎng)格膨脹，以保證網(wǎng)格過渡均勻[5]，整機網(wǎng)格數(shù)量為1 089 774個。

2.3 熱仿真及優(yōu)化

設(shè)定環(huán)境溫度為70 ℃，采用自然散熱方式進行散熱。加固計算機機箱和結(jié)構(gòu)件采用6061鋁合金材料加工，噴涂黑色蒙皮漆。模塊散熱框采用硬鋁材料，電路板基板主要材料為FR4，元器件封裝形式及封裝材料依據(jù)器件手冊提供。通過初次仿真，加固計算機的最高溫度為112 ℃，整機和模塊溫度分布圖如圖4、5所示。

圖4 優(yōu)化前整機溫度 圖5 優(yōu)化前模塊溫度 分布圖 分布圖

較高的模塊溫度無法滿足用戶要求，需對整機進行優(yōu)化，優(yōu)化措施為：

(1) 調(diào)整模塊與蓋板之間的距離，在模塊與蓋板之間增加導(dǎo)熱墊，保證模塊能夠與蓋板接觸散熱[6]；

(2) 將溫度較高的模塊位置調(diào)整到機箱溫度相對較低的插槽內(nèi)，保證溫度高的模塊散熱條件良好[7]；

(3) 采用新型導(dǎo)熱接觸材料，熱導(dǎo)率達到15 W/m·k，為傳統(tǒng)導(dǎo)熱接觸材料的5倍；

(4) 增加模塊散熱板的厚度，修改模塊與導(dǎo)軌的接觸方式，保證模塊鎖緊安裝筋與機箱插槽直接接觸，增加傳導(dǎo)散熱量。

通過以上優(yōu)化措施，經(jīng)過多次迭代仿真，當(dāng)環(huán)境溫度為70 ℃，整機最高溫度從112 ℃降為99 ℃，整機溫度分布更均勻，各模塊溫差更小。整機和模塊溫度分布圖如圖6、7所示。

圖6 優(yōu)化后整機溫度 圖7 優(yōu)化后模塊溫度 分布圖 分布圖

3 結(jié) 論

主要探討了某加固計算機的熱設(shè)計與分析，綜合考慮計算機功能要求和使用環(huán)境，利用FLOTHERM軟件對加固計算機進行仿真，經(jīng)過多次仿真迭代，得到最優(yōu)的整機和模塊參數(shù)，使整機散熱滿足用戶要求，為其它類似機載計算機的熱設(shè)計提供了依據(jù)。

[1] 邱成悌，趙惇殳，蔣全興,等.電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計原理[M].南京：東南大學(xué)出版社，2005.

[2] 余建祖，高紅霞，謝永奇.電子設(shè)備熱設(shè)計及分析技術(shù)[M].第二版.北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2008.

[3] 楊 林.一種高密度計算機熱設(shè)計和分析[J].機械工程師，2017(3)：16-17.

[4] 楊 林.某高密度計算機結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析[J].機械工程師，2015(2)：136-138.

[5] 張婭妮.某機載電子設(shè)備熱設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2013(3)：151-153.

[6] 南 雁.某機載電子設(shè)備總體結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].航空計算技術(shù)，2011(3)：97-100.

[7] 苗 力.軸流風(fēng)機機箱散熱結(jié)構(gòu)的仿真優(yōu)化設(shè)計[J].發(fā)電與空調(diào)，2012(4)：62-65.