基于SolidWorks Simulation的主板散熱設計

馬建章，何新文

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0 引言

主板處理器正朝著小型化、集成化和高功耗化的趨勢發展，相對的單位體積內所發出的熱量越來越高，主板散熱問題也愈來愈突出并受到重視[1]。散熱性是電子設備的重要指標，傳統熱設計中，設計師依靠經驗設計樣機，并通過試驗和測試發現設計問題和缺點，造成人力、物力和財力的浪費和漫長的研制周期[2]。熱仿真軟件可以使設計師在設計階段評估設備散熱性能、改進薄弱環節。Simulation是SolidWorks公司開發的一種有限元分析工具軟件，它作為嵌入式分析軟件與SolidWorks無縫集成[3]，可進行應力計算分析、線性與非線性分析、熱設計與分析、疲勞分析等[4]。本文以某一電子設備主板散熱設計分析為例，提出基于SolidWorks Simulation分析的主板傳導散熱的設計方法。

1 主板散熱結構設計

電子通信設備主板的處理器、芯片等大功率器件一般都需要進行散熱設計。某通信設備由機箱、主板、通信模塊和電源等組成，設備要求工作溫度最高為55 ℃。設備主板由控制單元、遠傳單元和基板3部分組成，其中，控制單元的控制處理器和圖像處理器功率分別為22 W和6 W，遠傳單元的交換處理器功率為6 W。控制處理器功率最大，要求溫度不超過91 ℃，因此主要針對控制處理器進行散熱設計和分析。主板的結構如圖1所示。

設備為密封機箱，采用傳導的方式對3個處理器進行散熱。綜合考慮可靠性、安裝性和維修性，將處理器緊貼設備底板，再通過底板的自然對流散熱將熱量散出去。主板采用厚鋁板銑制而成，外表面進行噴漆處理，將主板固定在底板的壓鉚螺釘上，底板上處理器對應位置設計凸臺，使用導熱襯墊填充處理器與底板的縫隙。主板安裝圖如圖2所示。

圖1 主板結構

圖2 主板安裝

2 底板的散熱設計

使用SolidWorks軟件對底板散熱進行仿真分析，評估其散熱性能是否滿足主板需要，并進一步設計底板結構。

2.1 底板散熱分析

使用SolidWorks Simulation進行散熱分析的具體步驟為[5]：① 創建算例；② 應用材料；③ 施加約束和載荷；④ 劃分網格；⑤ 運行分析；⑥ 分析結果。

2.1.1 創建算例，應用材料

在方案設計階段已經建立了底板、導熱襯墊和主板的三維模型，只需要對模型進行簡化即可進行分析。簡化模型一般是刪除不必要的特征，如圓角、孔等；對于裝配體簡化模型也包括刪除不必要的零部件。在此主要考慮底板的散熱性能，忽略導熱襯墊、主板，計算時將主板處理器的熱量賦予底板的相應位置即可。

模型簡化后建立新的算例，賦予算例中零件材料參數。底板材料為5A06鋁合金，其導熱系數為117 W/(m·K)[6]。由于底板的長度和寬度遠大于厚度，可以將其視為殼體，忽略厚度方向的尺寸，這樣能簡化網格，節省計算時間。需要注意的是，施加載荷和約束的點、線、面都要在定義的殼體面上[7]。

2.1.2 施加載荷和約束

根據處理器參數，在底板上處理器對應的位置賦予22 W、6 W、6 W的熱量。底板的背面添加對流約束，根據文獻[8]給出的公式估算平板空氣對流換熱系數為3.6 W/(m2·K)。環境溫度設定為55 ℃。

2.1.3 劃分網格，運行分析

劃分網格是將模型分割成有限個單元，網格的大小決定了計算的精確度，網格越小，計算量越大，計算結果越精確[9]。在大多數SolidWorks Simulation分析過程中，默認的網格設置使離散化誤差保持在可接受的范圍內，同時計算時間比較短。本文使用網格控制工具，對應力集中區域進行網格細化，其他區域采用默認的網格大小。網格劃分完成后，右鍵點擊算例，選擇運行，進行求解。

2.1.4 分析結果

求解完成后，軟件采用云圖的方式顯示溫度。分析結果如圖3所示。從溫度云圖中可以看出，模型的最高溫度為100 ℃，最低溫度為59 ℃；即處理器的溫度為100 ℃，超過要求值。底板的熱量比較集中，溫差達41 ℃，厚鋁板銑制底板的自然對流散熱效率比較低，無法滿足主板散熱要求。

圖3 底板散熱仿真溫度云圖

2.2 底板散熱改進設計

底板熱量集中，為提高散熱效率，考慮到成本、加工工藝和加工周期等因素，選擇使用熱管將熱量分散。熱管具有優良的導熱性、等溫性、熱響應性、無噪聲、無振動和可靠性高等特點[10]。選用中溫熱管，填充介質為水，管殼材料為銅，采用燒結芯，其換熱系數為10 000 W/(m·K)[11]。控制處理器相應位置設計2根熱管，圖像處理器和交換處理器相應位置各設計1根熱管。改進后的底板如圖4所示。

圖4 改進后底板的結構

在SolidWorks中建立裝配體，加入底板和熱管的模型，使用SolidWorks Simulation分析，設置熱管的導熱系數為10 000 W/(m·K)，設置熱管與底板接觸為接合，運用網格控制，細化熱管網格，其他參數不變。分析結果如圖5所示。從圖5中可以看出，模型最高溫度為71 ℃，滿足要求。

圖5 改進后底板的散熱仿真溫度云圖

3 導熱襯墊的選擇

在實際中，處理器與底板不可能緊密結合，存在較大的接觸熱阻，需要在處理器與底板之間加入導熱襯墊。導熱襯墊可以填滿由于不同高度、粗糙表面和加工偏差所造成的空氣間隙；其材料柔軟，可以吸收應力及撞擊力，避免損壞器件；材料兩面的粘性使其對接觸的表面具有良好濕潤性，可減小熱阻[12]。導熱襯墊具有良好的形狀適應性，在設計時，應根據接觸面積、散熱器的力學性能等選擇合適的壓縮量[13]。處理器尺寸相對較小，考慮印制板和處理器的材料力學性能，手冊建議導電襯墊的壓縮量為30%左右。

導熱墊的厚度越大，其熱阻越大，因此盡量選擇較小厚度的導熱襯墊。由于在散熱器加工和印制板電裝存在誤差，為保證裝配時導電襯墊能達到設計壓縮量，一般選擇1 mm、1.5 mm、2 mm的導電襯墊。

導熱襯墊的熱量傳導可以簡單地看作單層平壁導熱，文獻[14]給出了單層平壁的穩態導熱公式：

(1)

式中，φ為傳遞的熱量；λ為導熱系數；A為導熱面積；Δt為兩側溫差；δ為厚度。

由式(1)可得：

(2)

由式(2)可以看出，導熱墊傳遞的熱量φ、導熱面積A不變，導熱襯墊兩側溫差Δt與厚度δ成正比，與導熱系數λ成反比[15]，因此盡量選擇厚度小、導熱系數高的導熱襯墊。

當環境溫度為55 ℃時，要求處理器溫度不超過90 ℃，即處理器與環境的溫差不大于30 ℃。根據經驗和仿真結果，假設底板與環境的溫度差為16 ℃，則導熱襯墊兩側的溫度差不大于19 ℃。選擇厚度為1mm的導熱襯墊，壓縮以后的厚度為0.7mm，計算導熱系數：

通常用的高效導熱襯墊的導熱系數為：4 W/(m·K)、7 W/(m·K)、11 W/(m·K)等。導熱材料與處理器和底板間的空氣介質不能完全被消除[16]，實際中導熱襯墊的熱阻大于理論值；同時，考慮到加工誤差、理論值與實際值的誤差，選擇導熱系數為7 W/(m·K)的導熱襯墊。

在底板和熱管的模型中加入導熱襯墊，設置全局接觸為接合，細化導熱襯墊網格；在導熱襯墊表面賦予相應的熱量，其他參數不變，使用SolidWorks Simulation進行分析，分析結果如圖6所示。從圖6中可以看出，處理器最高溫度為81 ℃。

按照改進后的方案研制樣機進行測試，在環境溫度為55 ℃，開機1 h后，測量處理器溫度為83 ℃，與仿真基本相符，滿足設計要求。

圖6 主板散熱仿真溫度云圖(環境溫度55 ℃)

4 結束語

設備散熱設計不能僅僅依靠經驗，散熱設計是一項系統工程。設備散熱系統設計前應首先獲得熱源、使用環境和設備環境適應性要求等資料、參數，在此基礎上再進行計算或仿真分析，同時還應考慮加工工藝、加工誤差、材料成本和散熱方式等因素，綜合以上因素，選擇適合的散熱方式、散熱器和導熱材料等。在散熱設計中使用SolidWorks Simulation軟件進行仿真分析，能快速得到相應的計算和分析結果，從而極大地縮短產品的設計周期，降低試驗成本，提高產品質量，值得在結構設計中推廣應用[17]。

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