基于Icepak的電子機箱散熱分析

陳明輝，周 瑜，馬士杰，馬 寧

（中國電子科技集團公司第三研究所，北京 100015）

0 引 言

近年來，隨著5G、智慧城市、物聯(lián)網(wǎng)等高科技技術(shù)的快速發(fā)展，作為載體的電子設(shè)備也在朝著高速度、高密度及小型化的高度集成方向發(fā)展，電子設(shè)備的熱流密度越來越高。研究表明，芯片、板卡級的熱流密度可以達到100 W·cm-2，而半導體集成電路芯片的工作溫度一般應(yīng)低于100 ℃。如果不采用合理的結(jié)構(gòu)熱設(shè)計，電子元器件及電子設(shè)備的可靠性會受到嚴重的影響[1-2]。

目前，在電子設(shè)備的熱設(shè)計中，熱測試和熱分析是輔助熱設(shè)計分析并驗證散熱效果的兩種主要常用方法[3]。熱測試是通過實驗手段得到設(shè)備內(nèi)部的溫度分布情況，需要做出樣機進行實驗，從實驗發(fā)現(xiàn)問題，改進后重新制作樣機，再次進行實驗，這樣循環(huán)往復直至達到要求。這種方法耗費周期長、成本高，設(shè)計代價和風險較高。熱分析是通過成熟的分析軟件，導入設(shè)計模型，根據(jù)實際工況設(shè)置環(huán)境參數(shù)，建立邊界條件，最后通過計算機進行計算分析，從而獲得設(shè)備內(nèi)部整個溫度場的分布情況，設(shè)計人員根據(jù)仿真結(jié)果進行結(jié)構(gòu)上的改進從而達到設(shè)計要求。這種方法大大縮短了設(shè)備的設(shè)計周期，降低了研發(fā)成本，提高了設(shè)備工作可靠性[4-5]。

1 熱分析技術(shù)

隨著計算機與數(shù)值熱傳學等科技的發(fā)展，仿真技術(shù)日益成熟，其應(yīng)用越來越多，現(xiàn)已發(fā)展為一個不可或缺的技術(shù)。目前國內(nèi)外通常采用熱仿真模擬設(shè)計，得出熱分析結(jié)果，之后結(jié)合實際工況，對結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計以得到滿足要求的產(chǎn)品?，F(xiàn)階段應(yīng)用比較廣泛的熱分析軟件有Flotm、Algor及Icepak等，本文選用Icepak軟件對顯示控制設(shè)備進行仿真計算。ICEPAK軟件采用Flunt的求解器，在結(jié)構(gòu)散熱分析中具有較大的優(yōu)越性，能夠從芯片級、板卡級、部件級甚至系統(tǒng)級層面進行散熱問題的分析計算。而與Ansys合并后，它可通過AnsysWorkbench的平臺完成多物理場的耦合分析，從而大大地拓展其使用范圍[6-7]。

2 設(shè)備建模

本次研究的樣機是一個顯示控制設(shè)備，由機械結(jié)構(gòu)件、控制電路板及風扇組成。采用SolidWorks軟件對設(shè)備整機進行建模，其三維模型如圖1所示，內(nèi)部電氣部件堆疊情況如圖2所示。

圖1 樣機三維模型

圖2 樣機器件堆疊情況

由于此設(shè)備結(jié)構(gòu)尺寸較大，為保證設(shè)備強度，機械結(jié)構(gòu)件均采用冷軋鋼板進行加工。設(shè)備工作時，內(nèi)部器件持續(xù)產(chǎn)生熱量并在箱體內(nèi)累積，直至與外界的熱交換達到一個穩(wěn)定的狀態(tài)。其中，三塊PCB板卡的核心芯片使用溫度不可超過90 ℃，三塊電源的最高使用溫度不超過75 ℃。

3 傳熱類型

3.1 熱傳導

設(shè)備結(jié)構(gòu)內(nèi)部熱傳導包括內(nèi)部器件與PCB、PCB與安裝的結(jié)構(gòu)件、各發(fā)熱模塊與安裝面之間的傳熱以及設(shè)備結(jié)構(gòu)件之間因直接接觸而形成的熱傳遞。

式中：λ為導熱系數(shù)，單位為W·m-1·K-1；A為垂直于導熱方向的截面面積，單位為m2；為溫度梯度矢量，單位為K·m-1；φ為熱流量，單位為W；q為熱流密度，單位為W·m-2。

3.2 對流換熱

在設(shè)備結(jié)構(gòu)內(nèi)部，空氣流過固定的表面，由于溫度不同，引起熱量交換。對流熱量交換依據(jù)牛頓冷卻公式進行計算。

式中：h為表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)或者對流換熱系數(shù)，單位為W·m-2·K-1；A為對流換熱面積，單位為m2；Δt為固體壁面溫度tw與流體溫度tf之差的絕對值，Δt大于零，保證熱流量φ或熱流密度q取得正值，單位為K。

3.3 輻射換熱

設(shè)備結(jié)構(gòu)的輻射換熱包括設(shè)備內(nèi)部各組成部分之間由于溫度的差異引起的輻射換熱和設(shè)備結(jié)構(gòu)殼體與外界的輻射換熱。輻射熱量采用斯蒂芬-玻爾茲曼定律進行修正：

式中：ε為輻射黑度或者發(fā)射率，是物體輻射能力與同溫度的黑體輻射能力之比，其值小于1，且與物體種類、溫度及表面的狀況等有關(guān)。

4 仿真分析

4.1 模型導入

啟動Ansys WH，將SolidWorks中建好后的模型導入WH，并在DM中做處理，略掉螺釘、螺母、倒角、圓角及安裝孔等不影響熱流路徑的局部細節(jié)，之后將簡化后的模型導入Icepak，如圖3所示。

圖3 Icepak模型

4.2 設(shè)定邊界條件

控制機箱內(nèi)部各發(fā)熱器件及風扇如圖4所示。發(fā)熱器件功耗設(shè)置如表1所示。風扇特性曲線如圖5所示。

圖5 風扇特性曲線

表1 發(fā)熱器件功耗設(shè)置

圖4 發(fā)熱器件

4.3 網(wǎng)格劃分

在Icepak中，使用Mesher-HD對模型做網(wǎng)格劃分處理，對殼體散熱片部分設(shè)置多級網(wǎng)格，劃分為2級，如圖6所示。

圖6 網(wǎng)格劃分

放大模型進行觀察，模型拼接處網(wǎng)格劃分均勻，無變形出現(xiàn)。模型整體劃分網(wǎng)格數(shù)量為7 748 412個，為下一步有限元分析提供良好支撐。

4.4 設(shè)置求解參數(shù)并計算

設(shè)置流動方式為湍流，模型選擇零式方程，重力方向選擇-Y向，環(huán)境溫度設(shè)置為38 ℃。打開求解基本設(shè)置面板，修改最大迭代步數(shù)及流動殘差標準，如圖7所示。

圖7 參數(shù)設(shè)置

點擊計算，得出殘差曲線如圖8所示，殘差在247步時收斂。

圖8 殘差曲線

4.5 結(jié)果分析

查看機箱內(nèi)部各個電器部件的溫度分布情況，如圖9所示。

圖9 機箱內(nèi)部溫度分布情況

從圖9的溫度分布圖可以看出，溫度最高的器件為兩個電源，最高溫度為67.563 1 ℃，小于當前電源的溫度使用溫度75 ℃及芯片的工作溫度90 ℃，證明此熱設(shè)計方案是合理的，可以在實際工況中使用。

5 結(jié) 語

本設(shè)備上線兩年多的時間里，使用情況良好，實際使用情況印證了仿真結(jié)果是可靠的，也證明了在建立電子設(shè)備結(jié)構(gòu)三維模型的基礎(chǔ)上對電子設(shè)備結(jié)構(gòu)進行計算分析，模擬電子設(shè)備的內(nèi)部溫度場分布情況，可以實現(xiàn)對整個設(shè)備結(jié)構(gòu)是否滿足設(shè)計目標的快速驗證，使得設(shè)計風險得以控制，而且省去了設(shè)備樣機的制作，提高設(shè)計效率的同時也降低了成本，同時也為其他電子設(shè)備的熱仿真分析提供了相關(guān)參考。