一種機載電子設(shè)備的熱設(shè)計仿真與試驗研究

賁少愚

(南京電子技術(shù)研究所， 南京210039)

0 引言

隨著電子元器件封裝工藝的發(fā)展，芯片的熱耗密度越來越大。而在機載設(shè)備中，由于載機安裝環(huán)境對電子設(shè)備的體積質(zhì)量的限制，要求機載電子設(shè)備向小型化、輕量化發(fā)展，更使得機載電子設(shè)備的熱設(shè)計越來越困難［1］。近年來，隨著機載雷達技術(shù)的發(fā)展，結(jié)構(gòu)/熱耦合設(shè)計正逐漸成為機箱設(shè)計主流趨勢［2］，越來越多的熱設(shè)計元素被融合在機箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，從而使得機箱中的散熱通路越來越通暢，需要的冷卻資源和供電資源也越來越少。機箱的冷卻方式分為液冷和風冷兩種，其中風冷機箱中需要布置風道，通常體積較大。因此，在風冷機箱的設(shè)計中尤其重視合理的結(jié)構(gòu)排布和風道布置，從而在有限的設(shè)計空間內(nèi)實現(xiàn)機箱的散熱。然而，傳統(tǒng)的風冷機箱多借助經(jīng)驗進行模塊排布和風道設(shè)計，往往設(shè)計冗余過大，造成機箱的體積和質(zhì)量較大。

本文使用熱仿真手段，分析了模塊結(jié)構(gòu)排布和風道布置對某型風冷機箱散熱效果的影響，并獲得了最優(yōu)的結(jié)構(gòu)/熱設(shè)計方案，使得機箱的緊湊化設(shè)計與高效的風冷散熱相得益彰。通過試驗測試，該設(shè)計的散熱性能得到了驗證。因此，文中的熱設(shè)計仿真方法可以對類似的風冷機箱熱設(shè)計提供有效的參考。

1 問題描述

機載電子設(shè)備機箱安裝在飛機客艙內(nèi)，飛機客艙通過飛機環(huán)控系統(tǒng)的控制，可以保證客艙內(nèi)環(huán)境溫度小于35℃，但飛機不為機箱提供冷卻資源。機箱內(nèi)共布置有24個模塊，分為三個品種。其中，品種A數(shù)量為14個，熱耗最大，為125 W，在該模塊中，熱耗主要集中在四個芯片上，芯片面積30 mm×30 mm，熱耗22 W/個，其余37 W熱量分散在其他芯片上。剩余兩個品種的模塊熱耗較小。整個機箱熱耗2 110 W，要求芯片工作時最高殼溫小于85℃。

由于芯片的最大熱流密度達到2.4 W/cm2，必須采用強迫風冷的冷卻方式［3］，而飛機不提供冷卻資源。因此，必須自帶風扇進行強迫空氣冷卻。

2 熱設(shè)計方案

自帶風扇進行強迫風冷的機箱熱設(shè)計分為模塊級和機箱級。在模塊級設(shè)計中，通過合理地布置模塊中發(fā)熱器件的分布，并使用熱傳導(dǎo)技術(shù)建立發(fā)熱器件和散熱板之間的散熱通路，確保發(fā)熱器件的熱量通過散熱板傳遞至冷卻風，實現(xiàn)散熱。機箱級散熱則是通過合理地布置風機、進出風口和模塊散熱板，在機箱內(nèi)形成暢通的冷卻風路，確保每個模塊獲得足夠的風量。

2.1 模塊級熱設(shè)計

熱密度最高的模塊印制板熱分布示意圖，如圖1所示，熱耗主要集中在四個處理芯片上，芯片面積30 mm×30 mm，熱耗22 W/個。為印制板設(shè)計散熱板，將芯片的較大熱流密度擴展到散熱板上，風扇帶動空氣從散熱板上流過，將熱量帶走，散熱板結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 印制板上熱耗分布示意圖

圖2 散熱板結(jié)構(gòu)圖

2.2 機箱級熱設(shè)計

機箱級熱設(shè)計的一般原則［4］有以下5點:(1)設(shè)計時應(yīng)使用自然對流有助于強迫對流;(2)確保所有熱源都具有所需的風量;(3)確保氣流通道暢通無阻，且大小適當;(4)確保進風口與排風口遠離;(5)進風口應(yīng)設(shè)置空氣過濾器。

根據(jù)設(shè)計原則，在機載電子設(shè)備機箱結(jié)構(gòu)設(shè)計中，應(yīng)做到以下4點:(1)進氣孔應(yīng)設(shè)置在機箱下側(cè)或底部，排氣孔應(yīng)設(shè)置在靠近機箱的頂部，使得空氣自機箱下方向上循環(huán);(2)保證冷卻空氣在機箱內(nèi)按需要的散熱要求流動，避免氣流短路;(3)風扇入風孔外應(yīng)保留3 mm～5 mm之內(nèi)無阻礙;(4)進風口和排風口都安裝有截止波導(dǎo)。

圖3為機箱的外形、內(nèi)部模塊和風扇布置圖，及機箱內(nèi)風流動路徑示意圖。模塊尺寸:寬×深×高=25 mm×152 mm×234 mm，模塊間距 25.4 mm，風扇尺寸:長×寬×高=119 mm×119 mm×38 mm。在模塊下方共布置5個風扇。由于空間體積的限制，要求機箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)盡量做到緊湊，風扇和模塊間的間距、進風口和出風口尺寸盡量小。結(jié)構(gòu)設(shè)計初步方案給定間距為10 mm，進風口高度25 mm，出風口高度20 mm。為了保證冷卻空氣能夠有效冷卻機箱內(nèi)所有模塊，將熱量帶走，應(yīng)用仿真軟件仿真空氣在機箱內(nèi)的流動情況。

圖3 機箱外形、內(nèi)部模塊和風扇布置及機箱內(nèi)風流動路徑示意圖

3 機箱熱仿真與優(yōu)化

3.1 建模

對機箱結(jié)構(gòu)進行規(guī)模簡化，選取機箱內(nèi)熱耗密度最大的五個模塊及與這五個模塊相對應(yīng)的一個風扇作為仿真分析對象，總熱耗625 W。進風口尺寸為125 mm×25 mm，出風口尺寸為125 mm×20 mm，模塊和風扇之間的距離為10 mm，物理模型如圖4所示。

圖4 機箱物理模型

3.2 網(wǎng)格劃分及邊界條件設(shè)置

利用軟件自帶的網(wǎng)格生成功能，將網(wǎng)格質(zhì)量設(shè)置為normal，并對熱源部分進行網(wǎng)格細化處理，以提高求解精度。軟件提示生成網(wǎng)格數(shù)量為150萬個。邊界條件為:求解域的六個面設(shè)置為絕緣面(模塊的熱量全部由風扇帶走);系統(tǒng)環(huán)境溫度35℃;加入輻射、重力影響;氣流流動狀態(tài)為紊流;散熱板材質(zhì)為鋁合金;四個芯片熱耗分別為22 W/個，其余37 W集中布置在印制板中部的block上;求解方式為穩(wěn)態(tài)計算。風扇特性曲線設(shè)置，如圖5所示。

圖5 風扇特性曲線

3.3 求解計算

進行計算之前，先檢查氣流雷諾數(shù)和普朗特數(shù)的數(shù)值，以驗證初始條件是否正確。執(zhí)行“basic setting”命令，計算出的雷諾數(shù)為89 236，普朗特數(shù)為63 224，流動為紊流，與初始條件設(shè)置相符。執(zhí)行“run solution”命令，迭代100次后，殘差曲線已經(jīng)收斂，計算完成。

3.4 仿真結(jié)果分析

當風扇和模塊的間距為10 mm，進風口高度25 mm，出風口高度20 mm時，機箱內(nèi)流場分布如圖6a)所示，整個機箱內(nèi)空氣最大速度6 m/s，右側(cè)模塊上流過的風量遠遠小于其他四個模塊，導(dǎo)致該模塊上芯片溫度達到108.2℃。

保持風扇和模塊的間距為10 mm，調(diào)整進風口和出風口的高度，進風口高度45 mm，出風口高度40 mm。機箱內(nèi)流場分布如圖6b)所示，機箱內(nèi)空氣最大速度提高到8.9 m/s，這是由于增加了進出風口的尺寸，減小了系統(tǒng)流阻。但右側(cè)模塊上流過的風量仍然比其他四個模塊小很多，可見，改變進出風口的尺寸并不能改善機箱內(nèi)的流場分布。該模塊上芯片溫度90.2℃，不滿足芯片殼溫小于85℃的要求。

保持進風口高度和出風口高度尺寸不變，加大風扇和模塊的間距為40 mm。機箱內(nèi)流場如圖6c)所示，機箱內(nèi)空氣最大速度降為7m/s，各模塊的流量比較均勻，芯片最高溫度80℃，比允許溫度低5℃，滿足了散熱要求并留有熱設(shè)計余量。

圖6 不同結(jié)構(gòu)尺寸情況下機箱內(nèi)部空氣流動及芯片溫度分布情況

上述仿真結(jié)果表明:風扇和模塊的間距對流場分布影響較大，隨著間距的增大，流場分布趨于均勻。圖7為風扇和模塊的間距與芯片最高溫度間的關(guān)系曲線。

圖7 風扇和模塊的間距與芯片最高溫度之間的關(guān)系曲線

4 試驗測試驗證

為了檢驗仿真結(jié)果的準確性，對該機箱進行了熱測試，測試過程中的工況與仿真計算中完全相同。測試以典型發(fā)熱芯片的溫度作為參考，比較了仿真結(jié)果和測試結(jié)果，結(jié)果表明:芯片的實測溫度為82.3℃，仿真溫度為80℃，兩者吻合良好，仿真結(jié)果真實可靠。

5 結(jié)束語

本文通過使用熱分析軟件對流場和熱傳遞進行了仿真分析，根據(jù)仿真結(jié)果優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)，獲得了結(jié)構(gòu)/熱設(shè)計耦合優(yōu)化設(shè)計，從而在最小的設(shè)計空間中實現(xiàn)了風冷機箱的散熱設(shè)計。仿真分析結(jié)果表明:風扇與模塊之間的最小距離為40 mm，小于此距離的設(shè)計將使機箱內(nèi)空氣流通不暢。實物驗證結(jié)果與仿真結(jié)果良好吻合。本文的工作意義在于，通過迭代仿真的手段實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)/熱耦合優(yōu)化設(shè)計，為風冷機箱小型化設(shè)計提供了可靠的研究方法。

［1］ 平麗浩.雷達熱控技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展方向［J］.現(xiàn)代雷達，2009，31(5):1-6.Ping Lihao.Current status and development trends of thermal control technology for phased array radar system［J］.Modern Radar，2009，31(5):1-6.

［2］ 曾 銳，平麗浩，鞠文耀.電子設(shè)備多場耦合求解方法研究［J］.現(xiàn)代雷達，2008，30(11):103-106.Zeng Rui，Ping Lihao，Ju Wenyao.A study on uncoupling method for electronic equipment multifield coupling problem［J］.Modern Radar，2008，30(11):103-106.

［3］ GJB/Z 27-1992.電子設(shè)備可靠性熱設(shè)計手冊［S］.GJB/Z 27-1992.Thermal design handbook for reliability of electronic equipment［S］.

［4］ 邱成悌，趙惇殳，蔣全興.電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計原理［M］.南京:東南大學出版社，2001.Qiu Chengti，Zhao Dunshu，Jiang Quanxing.Structure design principle of electronic equipment［M］.Nanjing:Southeast University Press，2001.