熱設(shè)計(jì)在光電產(chǎn)品上的應(yīng)用

田 也

（凱邁（洛陽(yáng)）測(cè)控有限公司，河南 洛陽(yáng) 471000）

目前，電子設(shè)備工業(yè)正處于高速發(fā)展階段，其產(chǎn)品的應(yīng)用已經(jīng)遍布各個(gè)領(lǐng)域，并在發(fā)展過(guò)程中取得了很多優(yōu)異的成果，尤其是硅集成電路的問(wèn)世和半導(dǎo)體晶體管制造技術(shù)的快速發(fā)展，得以將更多的晶體管集成到單一的芯片內(nèi)，使得單芯片的熱功率變得越來(lái)越大。

近些年來(lái)，國(guó)外有很多學(xué)者和技術(shù)人員都致力于研究和發(fā)展完善熱分析技術(shù)，共同目的是更加高效、準(zhǔn)確地獲得各種電子設(shè)備組件的溫度分布，為電子設(shè)備產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過(guò)程提供溫度參考。而在光電領(lǐng)域，隨著光電產(chǎn)品小型化和集成度要求的提高，光電產(chǎn)品對(duì)熱設(shè)計(jì)和熱分析的要求也越來(lái)越高。文章根據(jù)某個(gè)型號(hào)產(chǎn)品內(nèi)跟蹤板收發(fā)模塊暴露出局部熱集中的問(wèn)題，利用熱計(jì)算與熱分析對(duì)該收發(fā)模塊的散熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并最終解決問(wèn)題。

如下圖1所示，該收發(fā)模塊布置在球殼內(nèi)的跟蹤板上，其耐熱性能差。過(guò)高溫度容易影響其工作。

圖1

由于平臺(tái)結(jié)構(gòu)及其安裝位置限制，無(wú)法通過(guò)傳導(dǎo)的方法直接將其發(fā)熱量傳遞到球殼上。另外根據(jù)功能需求，球殼整體是密封結(jié)構(gòu)，所以只能通過(guò)輻射和對(duì)流的方式進(jìn)行散熱。

該器件的熱特性見(jiàn)表1。在對(duì)平臺(tái)做65℃高溫試驗(yàn)時(shí)，測(cè)得該收發(fā)模塊周圍的環(huán)境溫度為70℃，器件表面溫度為82℃，大于其耐熱溫度75℃，需要對(duì)其進(jìn)行散熱設(shè)計(jì)。

表1 熱特性

1 結(jié)構(gòu)分析

結(jié)合前面的分析，跟蹤板安裝在某傳感器上，因空間限制，不便于直接將收發(fā)模塊上的熱量傳導(dǎo)到基板上，見(jiàn)圖2，只能通過(guò)對(duì)流和輻射方式對(duì)其進(jìn)行散熱。

圖2

2 確定器件表面對(duì)流系數(shù)

2.1 輻射熱量Qf確定

這里：Qf—輻射熱量（瓦）；ε1—物體表面黑度，對(duì)于鋁材取0.4；S1—參與輻射的表面積；C0—黑體的輻射系數(shù)，其值為5.67瓦/米2*K4；T1—物體溫度（K）；T2—周圍空氣溫度（K），經(jīng)過(guò)試驗(yàn)知道模塊表面溫度為82℃.

將 S1=1835mm2，T1=（273+82）K，T2=（273+70）K帶入，得：

2.2 對(duì)流熱量Qd確定

Qd=1-0.085=0.915(瓦)

2.3 對(duì)流系數(shù)α確定

根據(jù) Qd=α×S×（t2-t1）

這里S為對(duì)流面積，t2—物體表面溫度；t1—周圍空氣溫度得出：

2.4 借助有限元軟件進(jìn)行模擬分析

將對(duì)流系數(shù)α=41.5(瓦/米2*℃)、加熱功率1瓦作為邊界進(jìn)行有限元分析，得出收發(fā)模塊表面溫度為82.108℃～82.635℃，與實(shí)際測(cè)試接近，見(jiàn)圖3。

圖3

由于輻射熱量小，這里沒(méi)考慮該部分的貢獻(xiàn)，選擇換熱方式時(shí)會(huì)更加保守和安全。

由于該器件最高耐溫是75℃，所以需要提高換熱效率。擬通過(guò)增加散熱器和風(fēng)扇等措施進(jìn)行強(qiáng)迫風(fēng)冷。

3 確定散熱片結(jié)構(gòu)

根據(jù)平臺(tái)內(nèi)部布局和器件安裝情況，設(shè)計(jì)如圖4、5所示散熱器。

圖4

圖5

將對(duì)流系數(shù) α=41.5(瓦/米2*℃)、加熱功率 1 瓦作為邊界條件進(jìn)行有限元分析[4]，得出收發(fā)模塊表面溫度為71.86～72.874℃，小于75℃的耐溫要求，見(jiàn)圖6。與耐溫75℃相比還有2.5%的余量。

圖6

4 選擇風(fēng)扇

首先確定風(fēng)扇的氣流量Q。

（1）由于散熱片高度H僅為6mm～8.5mm，按層流換熱方程進(jìn)行計(jì)算。

（2）定性溫度確定

式中：tw為壁面溫度，這里為73℃；tf為空氣溫度，70℃。

得出：

（3）根據(jù)定性溫度選取各物理參數(shù)為：

定性溫度條件下空氣的導(dǎo)熱系數(shù)λf=2.98×10-2瓦/米×℃；

定性溫度條件下空氣的粘度μf=20.18×10-6米2/秒。

（4）所以：努謝爾特?cái)?shù) Nuf=αH/λf=41.5×6×10-3/2.98×10-2=8.4；

（6）根據(jù)雷諾準(zhǔn)則：Ref=ωH/ν（ω為空氣的流速），得出：

（7）風(fēng)扇的氣流量計(jì)算：Q=ω×S（S為散熱片垂直于風(fēng)向的橫截面積），根據(jù)散熱器結(jié)構(gòu)得S=1660mm2，所以：

5 根據(jù)氣流量選擇風(fēng)扇

由于安裝空間限制，風(fēng)扇無(wú)法直接靠近器件，估計(jì)風(fēng)扇有效流量?jī)H有30%，所以風(fēng)扇流量至少需要3.23/30%=9.693.23m3/h。據(jù)此選擇RS風(fēng)扇191-890，其參數(shù)如表2所示：

-10～90℃電源電流（m A）40×40×6 40 191-890工作溫度范圍規(guī)格m m氣流(m 3/h）10風(fēng)扇速度（r p m）7000噪音級(jí)別（d B）工作電壓（V）32 12庫(kù)存號(hào)

至此完成對(duì)該器件的散熱設(shè)計(jì)。

6 結(jié) 語(yǔ)

文章提出了有限空間內(nèi)對(duì)跟蹤板收發(fā)模塊的熱設(shè)計(jì)與熱分析方法。經(jīng)對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，證明了分析過(guò)程與結(jié)果的正確性。對(duì)類似產(chǎn)品的熱分析具有指導(dǎo)意義。