光電轉(zhuǎn)換通信模塊熱設(shè)計(jì)與仿真優(yōu)化

［陸宣博］

1 引言

電子設(shè)備一般是由多種不同的控制接口和輸入輸出的電子器件組合而成，這些電子器件的可靠性直接關(guān)系到整個(gè)電子設(shè)備的性能，而熱性能又是其中一項(xiàng)重要的可靠性指標(biāo)[1，2]。光電轉(zhuǎn)換通信模塊在機(jī)載振動(dòng)和復(fù)雜電磁環(huán)境下工作，要求在一定溫度范圍內(nèi)滿足各項(xiàng)指標(biāo)穩(wěn)定工作，同時(shí)要求重量輕和體積小巧。為了兼顧以上要求，內(nèi)部器件布局較緊湊，導(dǎo)致了整體單位體積熱量越來(lái)越高，形成的高溫對(duì)模塊的穩(wěn)定性造成了較大的影響，散熱問(wèn)題比較突出[3，4]。為了解決光電轉(zhuǎn)換通信模塊突出的散熱問(wèn)題，本文將開(kāi)展熱設(shè)計(jì)仿真及優(yōu)化，通過(guò)建立等比例三維數(shù)字化虛擬模型，使用熱仿真軟件進(jìn)行真實(shí)熱環(huán)境模擬和熱仿真迭代分析，給出定性定量化的設(shè)計(jì)變量和依據(jù)，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供可靠的數(shù)據(jù)支撐，從而解決散熱問(wèn)題。同時(shí)也給同類型電子設(shè)備遇到的散熱問(wèn)題提供了一種有效的設(shè)計(jì)方法和解決方案[5]。

2 熱設(shè)計(jì)

綜合考慮減輕重量、良好的散熱效果、電磁兼容、備料時(shí)效性和機(jī)加工成熟度等因素，該光電轉(zhuǎn)換通信模塊選擇使用防銹鋁合金材料[6]。設(shè)計(jì)要求光電轉(zhuǎn)換通信模塊在機(jī)載振動(dòng)和復(fù)雜電磁環(huán)境下工作，在一定溫度范圍內(nèi)滿足各項(xiàng)指標(biāo)穩(wěn)定工作，同時(shí)要求重量輕和體積小巧。為了滿足設(shè)計(jì)要求，綜合考慮，熱設(shè)計(jì)方案是以熱傳導(dǎo)和熱輻射為主，不考慮熱對(duì)流。采取全密閉的方式，阻止電磁波從孔洞中干擾內(nèi)部電子敏感設(shè)備；模塊的主要散熱方式是通過(guò)熱傳導(dǎo)把熱量傳導(dǎo)到兩側(cè)散熱齒片上，再由散熱齒片把熱量傳遞到強(qiáng)制對(duì)流空氣中（如圖1 所示，上下兩邊分布了散熱齒片）。另外，提高模塊外表面黑度，也能把熱量最大限度地輻射出去，因此外表面進(jìn)行噴黑漆處理。

圖1 光電轉(zhuǎn)換通信模塊正面和背面透視圖

如圖2 和圖3 所示，該光電轉(zhuǎn)換通信模塊由激光器（關(guān)鍵器件）、激光器控制板、外調(diào)制器、EDFA 放大器、光開(kāi)關(guān)、波分復(fù)用器、數(shù)字控制板、分線器和雙電源板等16個(gè)部分組成。因?yàn)槠骷容^多且模塊內(nèi)部空間有限，無(wú)法在一面布局所有組件和器件，因此采取了兩邊開(kāi)蓋的雙層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，布局到不同層，因而器件的熱傳導(dǎo)需要共用同一個(gè)結(jié)構(gòu)體。在設(shè)計(jì)熱傳導(dǎo)路徑時(shí)，需要考慮錯(cuò)開(kāi)，避免熱傳導(dǎo)路徑?jīng)_突，從而降低散熱效果。根據(jù)材料導(dǎo)熱系數(shù)λ=W/（m×K）可知，距離m 越小、在溫度K 相同時(shí)，導(dǎo)熱系數(shù)λ 就越大，溫度傳導(dǎo)得越快，因此需要把熱耗比較高的器件（如表1 所示的激光器、激光器控制板、電源板、EDFA 放大器和數(shù)字控制板）布局到離散熱齒最近的地方，獲得最優(yōu)熱傳導(dǎo)路徑，從而把熱量更高效地傳導(dǎo)到散熱齒，最大限度降低器件溫度。器件的熱耗如表1 所示，從表中可知激光器、電源板和EDFA 放大器熱耗比較大，優(yōu)先布局到離散熱齒最近的地方，其余器件根據(jù)連接拓?fù)潢P(guān)系進(jìn)行適當(dāng)放置，布局結(jié)果如圖2 和圖3 所示。

圖2 正面器件分布視圖

圖3 背面器件分布視圖

表1 光電轉(zhuǎn)換通信模塊器件熱耗

如圖4 和圖5 中的雙點(diǎn)畫(huà)箭頭所示，可以看到激光器、電源板、EDFA 放大器、光開(kāi)關(guān)和數(shù)字控制板的主要導(dǎo)熱路徑和方向。由于激光器和激光器控制均放置在同一個(gè)上下位置，但是要避免激光器導(dǎo)熱路徑重復(fù)，通過(guò)透明化主體結(jié)構(gòu)，如圖6 中箭頭所示，可以清晰的觀察到兩個(gè)激光器是錯(cuò)開(kāi)的，導(dǎo)熱路徑不重復(fù)，符合熱設(shè)計(jì)要求。

圖4 正面器件導(dǎo)熱路徑示意圖

圖5 背面器件導(dǎo)熱路徑示意圖

圖6 透明化結(jié)構(gòu)主體器件示意圖

3 熱仿真分析

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，該模塊的工作環(huán)境溫度設(shè)定為50℃，要求激光器工作溫度不超過(guò)75℃，其它芯片工作溫度不超過(guò)85℃。為了驗(yàn)證該模塊的熱設(shè)計(jì)方案是否合理，使用熱分析軟件 FLOTHERM 對(duì)該模塊的三維數(shù)字化虛擬模型（如圖1）進(jìn)行仿真分析。首先，在不影響仿真結(jié)果的前提下，對(duì)三維數(shù)字化樣機(jī)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，降低模型復(fù)雜度，提升運(yùn)算效率和收斂成功率，如刪除螺紋孔、圓倒角和小圓孔等。其次，對(duì)電路板上熱耗超過(guò)0.5 W 的器件建立模型和設(shè)定對(duì)應(yīng)的熱耗和材料參數(shù)；對(duì)于小于0.5 W 熱耗的器件不進(jìn)行單獨(dú)建模，把熱耗均布到電路板上。設(shè)置工作環(huán)境參數(shù)，主要包含工作環(huán)境溫度、壓強(qiáng)和風(fēng)速等（如表2 所示）。開(kāi)始進(jìn)行熱分析計(jì)算前，需要對(duì)簡(jiǎn)化后的三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分的參數(shù)設(shè)置和網(wǎng)格劃分的結(jié)果分別如圖7 和圖8 所示。

表2 工作環(huán)境參數(shù)要求

圖7 網(wǎng)格劃分參數(shù)設(shè)置

圖8 網(wǎng)格劃分結(jié)果

4 結(jié)果分析與優(yōu)化

在完成仿真預(yù)處理工作后，開(kāi)始仿真計(jì)算，迭代計(jì)算過(guò)程如圖9 所示，仿真分析計(jì)算殘差值小于0.7，各個(gè)監(jiān)控點(diǎn)溫度平穩(wěn)，仿真計(jì)算結(jié)果符合要求。模塊的正面和背面仿真溫度階梯云圖如圖10 和圖11 所示，正面激光器1（PD1_2，圖10）到散熱齒的溫度階梯變化最大，導(dǎo)熱路徑最短，仿真結(jié)果與導(dǎo)熱路徑設(shè)計(jì)相吻合（圖4）；背面激光器2（PD1_2，圖11）亦如此。另外，從圖中監(jiān)控點(diǎn)可知，正面激光器1（PD1_2，圖10）和背面激光器2（PD1_2，圖11）溫度分別為72.5℃和72.6℃，均小于設(shè)計(jì)要求的75℃，其它監(jiān)控點(diǎn)器件最高溫度為激光器控制板上的芯片，溫度分別為78℃和78.4℃，均小于設(shè)計(jì)要求的85℃。因此，從仿真結(jié)果可知，該模塊的熱設(shè)計(jì)方案滿足設(shè)計(jì)要求，熱設(shè)計(jì)措施達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。

圖9 仿真計(jì)算殘差和器件溫度監(jiān)控

圖10 正面仿真溫度階梯云圖

圖11 背面仿真溫度階梯云圖

為了給該模塊減重，觀察圖10 和圖11 的溫度階梯云圖的變化可知，編號(hào)為1 到6 的區(qū)域溫度變化較小，均不是器件的主要熱傳導(dǎo)通道，對(duì)器件散熱影響比較小，可以考慮把這些區(qū)域進(jìn)行優(yōu)化。綜合考慮模塊的整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和器件拓?fù)浣泳€等要求，對(duì)編號(hào)為1、2 和4 區(qū)域進(jìn)行優(yōu)化處理，3、5 和6 區(qū)域保留。優(yōu)化后的仿真結(jié)果如圖12和圖13 所示，通過(guò)對(duì)比優(yōu)化前后的對(duì)應(yīng)監(jiān)控點(diǎn)溫度差可知，相同監(jiān)控點(diǎn)的溫度差增加值均在0.1℃至0.5℃范圍內(nèi)，溫度變化不大，滿足器件要求的溫度。

圖12 正面仿真溫度階梯云圖（優(yōu)化后）

圖13 背面仿真溫度階梯云圖（優(yōu)化后）

5 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)采取封閉結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的某光電轉(zhuǎn)換通信模塊突出的散熱問(wèn)題，開(kāi)展了熱設(shè)計(jì)仿真及優(yōu)化，熱設(shè)計(jì)方案以熱傳導(dǎo)和熱輻射為主。對(duì)比仿真結(jié)果和觀察仿真溫度階梯云圖，可清晰觀察到溫度變化較小的區(qū)域，給優(yōu)化設(shè)計(jì)和減重提供了定性定量的數(shù)據(jù)支撐。優(yōu)化后的激光器溫度為72.8℃，小于設(shè)計(jì)要求的75℃；其他器件最高溫度為78.5℃，小于設(shè)計(jì)要求的85℃，達(dá)到了設(shè)計(jì)預(yù)期效果，解決了散熱問(wèn)題。