基于Icepak的某電子設備散熱設計

蘇志強

(中國電子科技集團公司第二十研究所，陜西 西安 710068)

0 引 言

隨著大規模集成電路的不斷發展，電子元器件物理極限不斷被打破，電子設備小型化成為發展趨勢，隨之而來的是設備的熱流密度越來越高，而溫度過高會導致電子元器件功能失效，據統計有超過一半的故障是由熱引發的，并且故障率會隨溫度升高成指數式增長[1-3]。因此，散熱設計已成為電子設備結構設計中不得不考慮的一個重要問題。熱設計就是通過合理的散熱方式保障良好的熱環境，以確保電子設備可靠地工作。目前常用的熱設計方法是借用ANYSY Icepak軟件對設備的散熱能力進行仿真分析，可有效避免傳統設計中通過經驗預估帶來的精度低、周期長等缺點，設計人員只需通過建立熱仿真模型、輸入邊界條件即可仿真模擬出設備的各部分溫度，為后續結構的優化設計提供依據。在實際工程設計中，根據總體單位裝機尺寸要求需對設備進行小型化設計，小型化必然導致單位面積上的熱量增加，因此選用合適的散熱結構成為該設備結構設計中的關鍵環節[4]。本文以該小型化設備結構設計為例，詳細闡釋Icepak在熱仿真分析中的具體應用。

1 電子設備熱分析計算

1.1 設備組成

受輸入設備安裝空間約束，并充分考慮減重及熱環境要求，設計了一種結構緊湊型的小型化端機，如圖1所示。該設備外形尺寸為寬×高×深=110 mm×194 mm×270 mm，主要由射頻模塊和數字模塊兩部分組成，兩部分采用拼裝式結構組合為一體化端機。機身整體采用5A06材料，并采用密封結構以提高端機的環境適應性。設備內部電路板利用螺釘固定在側壁上，并將電路板上主要發熱器件貼在側壁上。

圖1 設備的組成結構示意圖

1.2 熱設計要求

已知該設備的總熱耗為65.5 W，計算設備的表面熱流密度約為0.032 W/cm2。設備內部元器件許用結溫需要控制在110 ℃以內。因此，為保證設備在+45 ℃環境溫度下正常工作，最大允許溫升為65 ℃。按圖2所示的熱流密度、溫升選擇冷卻方法可初步確定該設備采用自然冷卻的散熱方式。通過“元器件→導熱硅膠→冷板(箱壁)→周圍環境”這條散熱途徑有效地將元器件產生的熱量傳至外部環境。

圖2 按熱流密度、溫升選擇冷卻方法[5]

自然散熱一般包括傳導、對流和輻射3種熱量交換方式[6]。為增強該設備的自然散熱能力，從以下幾個方面進行優化設計：(1)盡可能降低傳熱路徑上各環節熱阻，形成一條低熱阻通路，如用導熱系數高的導熱墊；(2)提高殼體向外傳熱能力，包括提高殼體外表面的黑度以增強輻射效率，在殼體兩側增加散熱齒以增大散熱面積等。下面可通過Icepak熱分析軟件來驗證散熱方式及結構設計的合理性。

2 基于Icepak的散熱仿真

熱仿真的目的是在設備工作的環境溫度下，根據設定的環控條件，通過仿真軟件迭代計算，確定各模塊的最高溫度是否超過元器件溫度許用值。主要仿真步驟如圖3所示。

圖3 基于Icepak的熱仿真流程

2.1 熱仿真

首先通過UG平臺進行設備三維模型的建立，利用Icepak熱仿真軟件依次實現模型的網格劃分、參數設置、計算、求解。為了提高計算速率，將模型導入Icepak之后需要對設備的UG模型進行簡化處理，去除所有螺釘孔、倒角、圓角，保證設備各部分表面光滑平齊，去掉尺寸較小的孔、凸臺、圓角；刪除所有與熱分析無關的連接件(如螺釘、連接器、電纜等)，保留主要散熱部件，建立如圖4所示的熱仿真模型。

圖4 熱仿真模型

設備殼體材料設定為Al，印制板采用FR4，其余器件、芯片等根據實際情況賦予相應材料參數。網格劃分采用Mesher-HD六面體占優網格，網格單元數為285 168。通過網格質量檢驗，完成單元網格劃分，設定初始工況參數如表1所示。

2.2 仿真結果分析

經過軟件迭代計算，得出設備在不同條件下的溫度云圖。在環境溫度為25 ℃條件下的仿真結果如圖5和圖6所示，增加散熱齒可降低6.2 ℃溫升，從而驗證了外表面增加散熱齒有利于設備散熱。在環境溫度45 ℃條件下的溫度云圖如圖7所示，設備最高溫度為106.9 ℃，滿足元器件耐溫要求，表明產品結構設計合理，熱功耗可以有效散到周圍環境中，能夠滿足系統的環境適應性要求。

表1 仿真參數設置

圖5 仿真結果云圖(無散熱齒，環境溫度25 ℃)

圖6 仿真結果云圖(有散熱齒，環境溫度25 ℃)

圖7 仿真結果云圖(環境溫度45 ℃)

3 結束語

本文闡述了某電子設備散熱設計過程，通過ANSYS Icepak熱分析平臺實現了電子設備的熱仿真分析，以驗證初期通過經驗公式選擇的散熱方式的合理性，從而減少了設計到生產、再設計再生產循環，縮短了產品的研發周期，為其他電子設備結構設計提供參考。