某手持終端設備的熱分析研究

摘 要：針對手持終端大功率、多模塊、大功耗、散熱困難的特點，從終端材質、散熱方式以及導熱材質等方面著手，運用熱仿真分析軟件FLoEFD進行熱仿真分析計算。通過對比不同的影響因素可知，采用金屬材質能提高手持終端的導熱效率，使用風冷散熱能有效提高終端的散熱效率，對終端的溫度降低有明顯作用，為終端的合理結構設計提供理論基礎。

關鍵詞：手持終端；FLoEFD；熱分析

中圖分類號：TN915.05 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）01-0070-03

Thermal Analysis of the Handheld Terminals

TIAN Shaoyang MEI Bin SHI Jinyan

（The 27th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation，Zhengzhou Henan 450047）

Abstract： Aiming at the high-power， multiple modules， high power consumption and heat dissipation difficulty of the handheld terminals， using the FLoEFD to analyze from the terminal material， thermal radiation and thermal conductive materials. Through comparing the different factors we know that using metal can improve the efficiency of thermal conductivity of the terminals and using airing cooling can improve the heat dissipation efficiency of terminal significantly， which can reduce the temperature of the terminals and provide theoretical basis for the reasonable structure design of the terminal.

Keywords： handheld terminals；FLoEFD；thermal analysis

1 研究背景

隨著科學技術的發展，電子產品的競爭越來越激烈，電子元器件的散熱問題愈發突出[1]。由于電路集成度越來越高，單位體積內的器件越來越多，使設備的功率大幅提高。據統計，本手持終端設備電路設計中元器件數量是常用智能移動手機的8～10倍。隨著元器件數量和功率的提高，設備的功耗越來越大，最終轉化成熱量散發出來。由于手持終端尺寸和常用智能手機相差不大，內部空間有限，因此，手持終端內部的熱流密度大幅增加，終端內部及元器件的溫度升高。如果熱量不能及時散出，造成元器件溫度過高，可能會導致元器件的性能大幅降低，甚至失效。根據“10℃法則”，元器件的性能隨著溫度的升高呈指數增長，元器件環境溫度每升高10℃，其失效率會增加一個數量級[2]。例如，溫度從75℃升高至125℃時，可靠性將降到原來的20%左右[3]。因此，采取有效的熱設計分析將能正確指導設備進行合理的結構設計，提前采取合理的措施控制溫度的升高，以保證電子設備正常可靠運行。

根據本手持終端的設計要求可知，本終端具有高集成化、功能多、模塊多、功耗大及空間尺寸要求嚴格等特點。電子設備中的熱傳遞方式有傳導、對流、輻射，由于終端中元器件相距較近，在安裝過程中幾乎均在器件之間用導熱膠等導熱材料進行填充，溫度相差不大，故在熱分析中暫不考慮輻射作用，只考慮傳導和對流的散熱方式。

在工作過程中，影響終端機散熱的因素較多，且散熱方式復雜。本文在簡化模型的情況下，從終端材質、強迫風冷及導熱材料等幾方面對終端的散熱情況進行分析研究。

2 終端的結構及工藝設計

為了便于終端設備的熱分析研究，本手持終端的結構組成簡化為圖1。由圖1可知，手持終端由LCD屏、外殼及各個模塊組成，發熱模塊分布在PCB板兩側，且都位于終端內部。在實際終端中，元器件數量多，排布緊密，空間有限，為了便于分析計算，特選取功耗相對較大、尺寸較大、功能相對重要的模塊進行分析，其余組件由于發熱量小，建模時對其發熱情況不予考慮[4]，各發熱模塊的尺寸和功耗如表1所示。為了提高散熱功能，將PCB板和模塊接觸區域設計成漏銅處理。由于實際終端中有導熱板散熱措施，故PCB板和相應模塊簡化成和殼體相互接觸，提高散熱效率。

3 手持終端的熱仿真分析

3.1 外殼材質散熱對比分析

在只考慮傳導散熱的情況下，由于與外界環境最直接接觸的是外殼，故散熱過程盡量將熱量從內部導到外殼上散出去。根據終端的重量和尺寸要求，設計過程中要考慮外殼材質有塑料和金屬。為簡化模型分析計算，將外殼材質考慮為全塑料和全金屬，根據材料特性及工程實際經驗，我們選擇的塑料使用TPU材質，金屬采用金屬鋁進行分析計算。

通過熱分析仿真軟件FLoEFD進行分析可得出如圖2和圖3所示的分析結果。從圖2可知，當使用塑料TPU材質進行分析計算時，手持終端的外殼溫度分布為85.81～105.99℃；當使用金屬鋁材質進行分析計算時，手持終端的外殼溫度分布為89.27～91.27℃。對比兩個分析結果可知，當使用金屬鋁時，終端最高溫度從105.99℃降為91.27℃，降低了將近15℃。因此，通過使用金屬材質能切實有效地提高終端的散熱情況。

3.2 對流與傳導散熱對比分析

由于終端內部元器件較多，功耗較大，內部空間熱流密度較高，使用傳導散熱有一定的局限性，采用強迫風冷的方式較易獲得冷卻空氣，將熱量快速帶走[5]，故在終端設計的嚴苛要求下，在終端設備的合適位置考慮采用強迫風冷的方法進行分析研究。根據整機元器件分布及圖2、圖3熱分析結果可知，終端頂部溫度較高，故考慮在終端頂部加一風扇進行散熱分析，結構圖如圖4所示。

在外殼使用金屬鋁材質的情況下，在終端頂部加一風扇，在終端背部兩側加兩排進氣孔，通過熱仿真軟件FLoEFD進行熱分析計算，可得出如圖5所示的散熱結果。

由圖5可知，通過加風扇進行風冷散熱，終端的溫度分布為25～46.64℃，尤其在風扇冷卻區域溫度最低，相比沒有風扇的傳導散熱溫度下降60℃之多。可見，盡管手持終端的空間有限，元器件過多，但在終端設計過程中，盡可能地在合適部位加入風扇設計對終端散熱是相當有利的。

3.3 導熱材料散熱分析

由于手持終端內部空間狹小、器件密集、密封性好，故需要采取措施保持終端內部的熱平衡，避免熱量集中。根據傳導散熱原理，增大散熱面積、改變導熱系數是提高傳導散熱的有效措施。在手持終端外形尺寸確定的情況下，采用較大導熱系數的導熱材料將熱量從溫度高的區域傳導到溫度低的區域，或者傳導到外殼，以提高終端的散熱效率。根據實際工程經驗，手持終端中采用的導熱材料如表2所示，采用的填充導熱材料如表3所示[6]。

根據表2并根據終端結構特性，可選用銅、鋁及相應合金做導熱支架，在散熱的同時能增強終端的強度。由于石墨具有質輕、使用方便、散熱迅速等特點，故可結合使用石墨散熱膜散熱，提高手持終端的熱量轉移效率，將熱點聚集地方的熱量快速傳導到支架及外殼上，提高散熱效率。由于終端中元器件形狀不規則且相距較近，為降低熱阻，提高散熱效率，在器件及器件和器件及殼體之間填充導熱膠或導熱墊。從表3可知，導熱墊的導熱系數相對較高，故可在手持終端中使用導熱墊促進器件間熱傳導，從而促進終端內部的熱平衡，再結合其他散熱手段將熱量散出去，從而保證終端設備正常工作。

4 結論

通過對手持終端外殼材質、傳導和對流散熱方式的對比及散熱材料等方面的分析研究可得出以下結論。

①使用塑料TPU材質時終端最高溫度是105.99℃，使用金屬鋁材質時終端最高溫度是91.27℃，溫度下降了將近15℃，能明顯提高元器件的穩定性，提高終端工作的運行性能，為終端合理散熱設計奠定基礎。在終端實際設計過程中，由于器件和天線工作特點及終端重量要求，可根據實際模塊布局情況在溫度高的位置使用金屬材料，在溫度相對低的地方使用塑料材質，合理優化外殼材質的布局，既能提高終端的散熱性能，滿足工作需求，又能滿足終端的設計需求。

②當使用風扇進行強迫風冷散熱時，可將最高溫度91.27℃的區域降為環境溫度25℃，這能極大地提高終端的散熱效率，降低終端溫度。在實際終端設計中，由于空間及尺寸的限制要求，進行風扇設計是相當困難的設計工作，但由熱仿真分析結果可知，風冷對流散熱是一項極其有效的散熱方式，這將給終端的結構設計和散熱設計指明方向并奠定理論基礎。

③通過對比不同導熱材料的導熱系數可知，在終端內部使用金屬銅或鋁支架加強終端結構強度的同時，將內部溫度快速傳導到外殼，并結合使用新材料石墨散熱膜提高散熱效率，降低終端溫度。由于空氣熱阻較大，導熱系數為0.01～0.04，較小，相比導熱材質不在一個數量級，故通過使用填充導熱材料增強元器件及殼體間的導熱效率，從而促使終端內部熱平衡，避免熱量集中，以保證手持終端有效工作。

參考文獻：

[1]朱斌，沈軍，魏濤.某高熱流密度冷板的設計與優化[J].電子機械工程，2014（4）：15-18.

[2]劉漢濤，仝志輝，王艷華.密封機箱內電子元器件及熱管冷卻的熱設計[J].流體機械，2016（6）：72-75.

[3]金旸霖.一種新型的液冷機箱及冷板散熱系統的研究[J].電子技術與軟件工程，2016（8）：111-114.

[4]張麗敏，朱曉凱，楊愛芬.某大功率密封功放單元的熱分析及優化[J].鄭州輕工業學院學報（自然科學版），2011（4）：56.

[5]劉茂全，楊愛芬.一種固態功率放大模塊的熱設計[J].鄭州輕工業學院學報（自然科學版），2013（1）：105-108.

[6]佟剛，何士偉.智能手機熱對策與熱設計[J].移動通信，2012（S2）：113-116.