基于Icepak的電子控制器散熱設(shè)計(jì)優(yōu)化

顧雙峰

(同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院,上海 201804)

0 引言

隨著汽車電動(dòng)化、智能化逐漸成為未來汽車技術(shù)發(fā)展的主要方向，作為汽車執(zhí)行決策的“大腦”，電子控制器已經(jīng)成為汽車零部件中最為重要的組成之一。隨著集成的功能越來越多，控制器的可靠性必然成為設(shè)計(jì)中最為重要的關(guān)注點(diǎn)之一。

“阿雷尼厄斯十度法則”指出：電子元器件工作溫度每降低10 ℃，壽命將增加1倍；溫度每升高10 ℃，壽命將縮短1/2。根據(jù)美軍的分析報(bào)告，大約50%的電子設(shè)備失效案例由工作環(huán)境的高溫導(dǎo)致[1]。因此，將電子設(shè)備的工作溫度控制在合理范圍內(nèi)，是工程師在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中最重要的關(guān)注點(diǎn)之一。座艙控制器模塊一般布置在汽車的前艙內(nèi)，可用空間十分有限，如何在有限空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)控制器電路板的有效散熱是開發(fā)時(shí)的難點(diǎn)之一。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法一般是基于已有的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行理論計(jì)算，并基于實(shí)物樣件進(jìn)行元器件溫度測(cè)試，最終再根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整電路板上元器件布局或者增加散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。這樣的開發(fā)過程時(shí)間冗長(zhǎng)，且設(shè)計(jì)和更改成本很高，在汽車設(shè)計(jì)周期越來越短的今天，嚴(yán)重制約了整個(gè)行業(yè)的發(fā)展。為此，有限元仿真分析法應(yīng)運(yùn)而生，可以在設(shè)計(jì)階段對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行熱仿真分析，評(píng)估產(chǎn)品整體發(fā)熱狀況并得到優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，從而極大減少在實(shí)際產(chǎn)品上出現(xiàn)過熱的風(fēng)險(xiǎn)，大大縮短開發(fā)周期并節(jié)省開發(fā)成本。

1 汽車座艙電子控制器產(chǎn)品結(jié)構(gòu)介紹

圖1是一款汽車座艙電子控制器的整體產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，主要由上殼體、導(dǎo)熱硅膠、印制電路板(Printed Circuit Board，PCB)、下殼體等4個(gè)部分組成。上殼體選用壓鑄鋁材料，材料牌號(hào)為AlSi9Cu3，該材料既能保證良好的散熱性能又可以減輕殼體的整體質(zhì)量，殼體表面黑色噴漆處理，可以增加外殼的熱輻射系數(shù)。下殼體材料是沖壓鍍鋅鋼板，表面經(jīng)過陽極氧化處理，保證其具有良好的電磁兼容(Electro-Magnetic Compability，EMC)性能與散熱性能。PCB通過螺絲固定于上殼體，且各主要發(fā)熱芯片均通過導(dǎo)熱硅膠與上殼體接觸，形成導(dǎo)熱回路，PCB整體上處于被上下殼包圍的相對(duì)封閉空間內(nèi)。導(dǎo)熱硅膠材料作為一種具有良好導(dǎo)熱性能的硅基化合物，可以有效提高芯片與殼體間的散熱能力。

圖1 電子控制器的整體產(chǎn)品結(jié)構(gòu)

電子發(fā)熱產(chǎn)品的散熱結(jié)構(gòu)一般有4種：自然冷卻、強(qiáng)制通風(fēng)冷卻、冷卻液冷卻及蒸發(fā)冷卻。文中基于整車噪聲方面的考慮，客戶要求不允許使用風(fēng)扇強(qiáng)制通風(fēng)冷卻的方式，且從模塊成本經(jīng)濟(jì)性方面考慮，排除使用成本較高的液冷及蒸發(fā)冷卻方案。因此控制器模塊只能依靠殼體與周邊空氣的自然對(duì)流來進(jìn)行散熱。但由于該模塊安裝在儀表板總成中靠近發(fā)動(dòng)機(jī)艙的一側(cè)，環(huán)境溫度高，通風(fēng)條件差，為保證芯片在極限溫度環(huán)境(85 ℃)下也能正常工作，不會(huì)過熱宕機(jī)(芯片溫度超過最高允許芯片結(jié)溫)，所以在設(shè)計(jì)階段對(duì)產(chǎn)品的散熱性能可靠性提出了更為嚴(yán)格的要求。

控制器模塊的冷卻主要是通過殼體表面分布的散熱筋與周圍空氣的對(duì)流進(jìn)行熱交換，因此確?？刂破髂K具有足夠散熱能力成為設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)。經(jīng)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析，其熱源主要為電路板及板上功率元器件產(chǎn)生的熱量，如圖2中列出的U1/U2/ U3/U32是整個(gè)電路板上發(fā)熱功率最大的4顆芯片，芯片發(fā)出的熱量通過導(dǎo)熱硅膠熱傳導(dǎo)至外殼并最終傳導(dǎo)至空氣中。文中主要針對(duì)這4顆芯片進(jìn)行仿真分析并將芯片結(jié)溫(Tj)控制在允許范圍內(nèi)。表1為鑄鋁殼體、導(dǎo)熱硅膠及芯片導(dǎo)熱相關(guān)性能參數(shù)。

圖2 電路板布局

表1 零件導(dǎo)熱參數(shù)

2 基于Icepak的控制器散熱仿真分析

Icepak是一款基于流體力學(xué)分析軟件Fluent開發(fā)出的熱仿真分析軟件，廣泛應(yīng)用于電力通信、航天航空電子設(shè)備、家電及汽車電子等領(lǐng)域，是目前應(yīng)用最為廣泛的熱管理分析軟件之一。該軟件操作界面簡(jiǎn)潔易懂，人機(jī)交互界面友好，適合對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)進(jìn)行快速熱仿真評(píng)估，其獨(dú)有的優(yōu)化分析模塊可以給后續(xù)設(shè)計(jì)改進(jìn)提供參考建議[2]。Icepak擁有豐富的模型庫，如風(fēng)扇、PCB、散熱器、電子標(biāo)準(zhǔn)元器件等，也可以方便地將3D建模軟件如UG/CATIA中建立的3D數(shù)模直接導(dǎo)入，還可以將電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化(Electronic Design Automation,EDA)軟件，中的PCB布置數(shù)據(jù)直接導(dǎo)入，并且可以根據(jù)模擬環(huán)境選擇設(shè)置不同的熱對(duì)流方式，如自然對(duì)流、強(qiáng)制通風(fēng)對(duì)流、混合對(duì)流、層流、湍流、熱傳導(dǎo)、熱輻射等復(fù)雜環(huán)境狀態(tài)[3]。同時(shí)，Icepak具有優(yōu)秀的網(wǎng)格處理技術(shù)，可以自動(dòng)針對(duì)復(fù)雜的曲面外形生成四面體或六面體等網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，并且具備針對(duì)可變參數(shù)進(jìn)行迭代計(jì)算及強(qiáng)大的后處理能力，從而得出最佳優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

在Icepak中建立熱仿真模型有兩種方法。一種是使用3D建模軟件創(chuàng)建好模型后導(dǎo)入Icepak中進(jìn)行分析，3D模型導(dǎo)入后需要進(jìn)一步轉(zhuǎn)換成規(guī)定格式的熱仿真模型，但外部導(dǎo)入的3D模型在格式轉(zhuǎn)換過程中易出錯(cuò)，使得網(wǎng)格質(zhì)量不高，導(dǎo)致最終計(jì)算結(jié)果的精度不夠。并且，如果有后續(xù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更改，還需要修改3D建模軟件中的數(shù)據(jù)并重新導(dǎo)入Icepak中進(jìn)行熱仿真模型格式轉(zhuǎn)換及網(wǎng)格劃分，重新計(jì)算仿真結(jié)果，所以這種方法存在操作煩瑣且數(shù)據(jù)更新過程耗費(fèi)大量時(shí)間的缺點(diǎn)。另外一種熱模型創(chuàng)建方法是直接在Icepak中基于軟件自帶的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)模塊庫，如Wall/Heatsink/PCB/Resistance等模塊，進(jìn)行熱模型搭建，該方法具有生成的網(wǎng)格質(zhì)量高、計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)，且如果需要更改產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，可以直接在標(biāo)準(zhǔn)模塊中對(duì)參數(shù)變量值進(jìn)行修改，還可以使用軟件自帶的曲面響應(yīng)優(yōu)化方法求出最佳設(shè)計(jì)參數(shù)建議。因此，對(duì)于結(jié)構(gòu)不是很復(fù)雜的產(chǎn)品，推薦使用第二種方法。

文中依據(jù)客戶給出的邊界條件，產(chǎn)品主體尺寸為L(zhǎng)200 mm×W145 mm×H45 mm，可以得到散熱筋基板面積為180 mm×120 mm，高度區(qū)間為10～20 mm。根據(jù)理論計(jì)算及設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)可以初步設(shè)立散熱筋的參數(shù)。由于電路板上的主要發(fā)熱芯片僅為U1/U2/U3/U32 4顆芯片，其余元器件均為發(fā)熱量很小甚至不發(fā)熱的元器件，因此為了減小模型計(jì)算復(fù)雜度，簡(jiǎn)化電路板模型，只保留4顆主發(fā)熱芯片，隱藏上下殼體，簡(jiǎn)化后元器件分布如圖3所示。

圖3 電路板簡(jiǎn)化效果

控制器整體結(jié)構(gòu)如圖4所示，散熱筋與上殼體為一體成型結(jié)構(gòu)，金屬外殼通過導(dǎo)熱硅膠散熱片與電路板上芯片連接，可以將芯片熱量傳導(dǎo)到外部空氣中。

圖4 熱仿真整體簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)

根據(jù)虛擬試驗(yàn)要求，模擬將產(chǎn)品放置于高溫測(cè)試箱進(jìn)行穩(wěn)態(tài)功耗下的芯片溫度測(cè)試，故設(shè)置計(jì)算域邊界Cabinet時(shí)需遵循產(chǎn)品外表面與計(jì)算域邊界距離為：X方向留有1/2L、Y方向留有1/2W、Z方向的正向留有H和負(fù)向留有2H的間隙，并將Cabinet的6個(gè)邊界均設(shè)置為開放形式(Cabinet→Properties→Walltype→Open)，以符合實(shí)際測(cè)試及裝車的周邊環(huán)境。設(shè)置好邊界條件需進(jìn)行模型質(zhì)量檢查(Macros→Productive→Validation→Automatic case check tool)。

模型質(zhì)量檢查通過后，便可以進(jìn)行零件屬性參數(shù)的定義。對(duì)于上殼體及散熱筋集成在一起的結(jié)構(gòu)，材料使用壓鑄鋁材料AlSi9Cu3，它為非標(biāo)準(zhǔn)材料，需要在Icepak材料庫中新建材料并輸入相應(yīng)的性能參數(shù)，如密度、熱傳導(dǎo)率、表面熱輻射效率及發(fā)熱功率等。散熱基板厚度定義為殼體厚度，并根據(jù)殼體尺寸初步確定散熱筋的各項(xiàng)參數(shù)(厚度、高度及數(shù)量等)。對(duì)于導(dǎo)熱硅膠片，也同樣需要在材料庫新建材料并對(duì)材料特性參數(shù)進(jìn)行定義。對(duì)于電路板，需要根據(jù)設(shè)計(jì)輸入設(shè)置電路板厚度，銅箔層數(shù)、厚度及覆蓋率。對(duì)于芯片元器件，可以直接賦予軟件材料庫中自帶的Ceramic材料，并定義發(fā)熱功率及芯片最高允許結(jié)溫(Tjmax)。如此，仿真模型邊界條件元件屬性設(shè)置完成。接下來劃分網(wǎng)格并設(shè)置溫度控制點(diǎn)便可進(jìn)行穩(wěn)態(tài)溫度模擬計(jì)算。

良好的網(wǎng)格質(zhì)量是仿真分析結(jié)果準(zhǔn)確可信的基本條件之一，Icepak能夠提供六面體占優(yōu)網(wǎng)格Mesher-HD與非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格Hexa-unstructured兩種網(wǎng)格劃分形式，雖然均為六面體網(wǎng)格，但對(duì)于導(dǎo)入Icepak的外部模型及使用CAD object功能生成的熱仿真模型，由于可能存在非標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)，只適用第一種網(wǎng)格格式Mesher-HD。使用自帶模型庫搭建的仿真模型，則兩種網(wǎng)格形式均能適用。設(shè)置網(wǎng)格最大及最小允許尺寸，并采用面對(duì)齊率Face alignment> 0.15及網(wǎng)格偏度Skewness>0.1[2]兩個(gè)指標(biāo)檢查生成的網(wǎng)格質(zhì)量,網(wǎng)格劃分的結(jié)果如圖5所示，F(xiàn)ace alignment及Skewness均接近1，且網(wǎng)格質(zhì)量較高。

圖5 網(wǎng)格劃分

最后設(shè)置求解條件。設(shè)置環(huán)境溫度為85 ℃及求解迭代次數(shù)為100次，并將4顆芯片表面溫度設(shè)置為溫度監(jiān)控點(diǎn)，進(jìn)行溫度仿真計(jì)算。結(jié)果如圖6所示，最高溫度出現(xiàn)在芯片U2上，最高溫度為119.76 ℃，但低于芯片最高允許結(jié)溫150 ℃；U1、U3及U32的最高溫度分別為115.4 ℃、113.9 ℃和112.2 ℃，均低于芯片最高允許結(jié)溫125 ℃，表示產(chǎn)品在極限高溫情況下穩(wěn)態(tài)工作也不會(huì)出現(xiàn)芯片過熱失效的現(xiàn)象。但從工程角度而言，設(shè)計(jì)安全冗余量越大越能增加產(chǎn)品穩(wěn)定性，因此需要從工程角度進(jìn)一步的優(yōu)化，尋找散熱筋設(shè)計(jì)的最優(yōu)參數(shù)組合。

圖6 初始溫度云圖

3 多因子參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

文中產(chǎn)品主要是通過外表面的散熱筋與空氣之間自然對(duì)流進(jìn)行散熱，從設(shè)計(jì)上來說可以通過優(yōu)化PCB上元器件結(jié)構(gòu)布局來降低熱量集中程度，也可以通過優(yōu)化外部散熱結(jié)構(gòu)來提高散熱效率。從可行性上來說，更改電路板上元器件布局常涉及整體電路重新布置或受到電路板EMC性能的約束，無法將所有元器件均布置到理想的位置，因此，優(yōu)化產(chǎn)品散熱結(jié)構(gòu)是在設(shè)計(jì)階段提升產(chǎn)品散熱能力更為理想的辦法。

普通產(chǎn)品的散熱筋結(jié)構(gòu)一般有圓柱及肋片兩種形式，從大量工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)來看，對(duì)EMC要求較嚴(yán)苛的場(chǎng)合不適宜采用圓柱散熱的結(jié)構(gòu)。文中采用肋片形式的散熱結(jié)構(gòu)，由于產(chǎn)品整體尺寸已經(jīng)預(yù)先確定，因此可以計(jì)算得到散熱筋的厚度、高度及數(shù)量的取值范圍，具體計(jì)算所得參數(shù)見表2。再借用Icepak的曲面響應(yīng)分析功能，從3個(gè)變量組中得到最優(yōu)值組合。

表2 散熱筋參數(shù)

圖7 定義可變參數(shù)

圖8 響應(yīng)面分析優(yōu)化

DOE設(shè)計(jì)點(diǎn)及計(jì)算結(jié)果如圖9所示。

圖9 DOE設(shè)計(jì)點(diǎn)及計(jì)算結(jié)果

進(jìn)入響應(yīng)面分析“Design Of Experiment(DOE)”模塊可以自動(dòng)生成DOE設(shè)計(jì)點(diǎn)，如圖9所示，與正交試驗(yàn)法采用“田口理論方法”選取DOE設(shè)計(jì)點(diǎn)不同，響應(yīng)面分析采用中心復(fù)合設(shè)計(jì)方法(Central Composite Design，CCD)進(jìn)行,中心復(fù)合設(shè)計(jì)方法CCD是包含取值范圍中心點(diǎn)并使用一組軸點(diǎn)(也稱星形點(diǎn))擴(kuò)充的因子設(shè)計(jì)，這些軸點(diǎn)可用于評(píng)估模型方程彎曲度。使用中心復(fù)合設(shè)計(jì)可以有效估計(jì)模型方程的一階及二階項(xiàng)，及為帶有彎曲的響應(yīng)變量建模[4]。圖9所示為Icepak自動(dòng)計(jì)算生成的15個(gè)DOE設(shè)計(jì)點(diǎn)，以及每個(gè)設(shè)計(jì)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的全局最高溫度及散熱筋質(zhì)量。

如圖10所示，圖中曲線斜率近似為1，表示各設(shè)計(jì)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的最高溫度及散熱筋質(zhì)量的實(shí)際計(jì)算值與通過曲面響應(yīng)方程計(jì)算出的推導(dǎo)值數(shù)值近似相等，黑色點(diǎn)分別代表全局最高溫度及散熱筋質(zhì)量，均位于曲線上，表示推導(dǎo)出的曲面響應(yīng)方程的可信度較高。

圖10 溫度/質(zhì)量隨目標(biāo)函數(shù)變化曲線

目標(biāo)函數(shù)與約束函數(shù)的響應(yīng)面關(guān)系如圖11所示，由圖可以得出：

(1)散熱筋的高度與整體散熱效率成正相關(guān)關(guān)系。高度越高，與空氣接觸的散熱面積越大，則芯片熱量更容易通過外殼散出。但由于產(chǎn)品整體高度是受限的，且高度越高，產(chǎn)品越重，不符合產(chǎn)品輕量化設(shè)計(jì)的思想。

(2)散熱筋厚度與數(shù)量在總寬度限定的前提下，數(shù)量不變時(shí)，厚度越大則間距越小，散熱面積增大，散熱效果越好，但間距減小到一定值時(shí)，由于散熱翅片間存在互相輻射影響及空氣對(duì)流被阻滯，散熱效率會(huì)變差；厚度越小，熱量不容易傳導(dǎo)至散熱筋頂部且散熱面積減小，也會(huì)降低散熱效率[5]。因此如何平衡散熱筋的厚度/數(shù)量/間距，并且取到最合理的組合值就是優(yōu)化的目標(biāo)。

圖11 目標(biāo)函數(shù)與約束函數(shù)的響應(yīng)面關(guān)系

從15個(gè)DOE設(shè)計(jì)樣本中可以對(duì)目標(biāo)參數(shù)進(jìn)一步優(yōu)化，設(shè)置優(yōu)化目標(biāo)為：溫度小于120 ℃、質(zhì)量小于350 g，軟件自動(dòng)生成并列出符合要求的且匹配程度靠前的3種方案Candidate Point1/2/3，如圖12所示。Candidate Point2中當(dāng)Fin_count取35、Fin_height取15、Fin_thickness取1.5時(shí)，全局最高溫度為116.62 ℃，雖然相對(duì)于Point1及Point3的溫度略微偏高，但其散熱片質(zhì)量?jī)H為315 g，相較其他兩種方案質(zhì)量減輕了接近8%。從產(chǎn)品輕量化角度考慮，最終選擇Candidate Point2作為最終優(yōu)化方案。

圖12 優(yōu)化后幾何參數(shù)

將Point2中參數(shù)重新代入Icepak進(jìn)行熱仿真計(jì)算，得到的溫度分布如圖13所示，U2最高溫度從初始119.9 ℃降低到115.9 ℃，下降了將近4 ℃，提高了安全余量；整體散熱片的質(zhì)量從421 g減小到315 g，降低了25%，輕量化優(yōu)化效果顯著。

圖13 優(yōu)化后溫度云圖

4 結(jié)束語

在當(dāng)前汽車電子行業(yè)，產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期短，產(chǎn)品電子集成度高且對(duì)產(chǎn)品整體輕量化、小型化已成趨勢(shì)，因此依托于傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)加后期實(shí)物測(cè)試的開發(fā)流程已經(jīng)無法滿足新一代汽車電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)節(jié)奏，Icepak為工程師們提供了另外一種選擇，可以在成本、設(shè)計(jì)質(zhì)量及產(chǎn)品性能之間追求相對(duì)的平衡，通過仿真分析快速地評(píng)估電子產(chǎn)品的發(fā)熱和散熱狀況，可以有的放矢地在多個(gè)變量參數(shù)之間選擇最為合適的設(shè)計(jì)方案，同時(shí)曲面響應(yīng)優(yōu)化模塊還可以適用于其他如靜態(tài)力學(xué)、模態(tài)分析的場(chǎng)景上，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)方案的自動(dòng)組合計(jì)算，大大提高了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期，避免產(chǎn)品在設(shè)計(jì)后期出現(xiàn)設(shè)計(jì)變更導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)及時(shí)間損失，提升了產(chǎn)品的可靠性。