密閉產品的熱結構設計和分析

周錦華

（上海惠安系統控制有限公司，上海 200233）

熱仿真技術已成為電子設備研制中不可或缺的關鍵技術,通過對機箱產品熱量的分析、溫度分布及速度矢量的仿真計算，研究加強機箱散熱的有效措施并指導結構設計，盡可能減少熱阻，加快散熱速度，降低內部溫升，提高設備的可靠性。[1]

本文運用Flotherm 熱仿真分析軟件，用方便可靠的設計方法，模擬無風扇、自然散熱的密閉結構產品，完成了產品熱設計，模擬結果與產品實測數據基本一致。

1 產品設計要求

產品采用無風扇、自然散熱的密閉式結構，在-40～70°C 環境范圍內正常工作，產品外形尺寸:482.6mm*88mm*290mm。產品主要由機箱、電源（2 塊），P1020 CPU 板、基板、串口板、串口轉接板、LCD 轉接板、“硬盤+轉接卡”等組成，產品結構示意圖見圖1。

圖1 機箱結構

產品主要發熱模塊和芯片：

a.電源：功率2.5W，數量2 塊。電源的元器件正常使用溫度-40～120°C。

b.SATA 硬盤：正常使用溫度不超過70°C。

c.P1020 CPU 板：主要發熱芯片P2020EC，功耗：9.6W。通過接插件直插在基板上，安裝方式見圖2。

d. 基板：主要發熱芯片：2 個1WBCS53125，1W EP4C15F2317，0.1W 發熱器件。安裝方式見圖2。

圖2 1020 CPU 板、基板的發熱元器件示意圖

發熱模塊需要解決散熱問題，同時也要考慮熱的相互影響和作用。內部模塊元器件熱耗如表1。

表1 內部模塊元器件熱耗

2 機箱熱設計分析計算

密閉產品的散熱對結構設計來說，散熱是主要解決的問題之一。通過設計，模塊產生的熱量通過導熱塊導熱傳遞到產品外殼散熱，或者產品外部的散熱器達到自然對流散熱。

對產品內部發熱模塊和芯片的分析，模塊工作時產生的熱量，盡快傳遞到機箱外殼或外部散熱器，機箱外殼或外部散熱器將熱量通過自然對流的方式，將熱量傳遞到外部空氣中，散熱路徑如圖3 所示。

為保證各模塊都有良好的散熱效果和正常的工作狀態，機箱采用19in 鋁型材機箱，機箱上蓋板設計為散熱器結構，主要通過上蓋板進行散熱。CPU 板和基板上芯片的熱量通過導熱塊導熱到機箱的上蓋板，電源和SATA 硬盤產生的熱量通過固定裝置傳導到機箱上，最終通過機箱外殼以及外殼的散熱器，達到與外部空氣的自然對流散熱（圖3）。

圖3 散熱路徑

計算產品散熱的熱流密度，分析產品的散熱是否符合自然散熱滿足要求。機箱模塊總功耗為：

式中，Q1為模塊1，2 個電源功耗，（2.5*2）W；Q2為模塊2，基板+CPU 板功耗，（9.6+3.1）W；Q3為模塊3，SATA 硬盤功耗，1 W。

Q熱=（2.5*2）+（9.6+3.1）+1=18.7W

產品在熱穩態條件下，散熱表面的熱流密度的計算為：

式中，A 為產品散熱總面積，單位cm2, 計算得：A=2028 cm2。

產品熱穩態下，散熱表面的熱流密度，如下：

φ=18.7/18114=0.13x10-2W/ cm2

產品要求的正常工作最高環境溫度范圍為70°C，考慮到內部模塊、元器件的耐高溫性能不超過105°C～125°C，以元器件最低105°C 計算，那么元器件溫度升高范圍應控制在35°C 范圍之內。圖4 是溫升和熱流密度冷卻方法選擇圖，當熱流密度閾值0.13x10-2W/ cm2時，空氣自然對流+輻射條件下，部溫升對應控制在12°C～35°C。

圖4 溫升和熱流密度冷卻方法選擇圖

從計算結果看，產品熱穩態下的熱流密度對應于自然對流散熱的閥值，機箱內部溫升35°C，即模塊、器件的工作溫度105°C，產品可以正常工作。計算分析產品熱設計可以采用自然散熱來滿足。

3 建模與驗證

3.1 建模

3.1.1 環境參數確定

Flotherm 熱仿真參數設定：環境溫度：70°C，層流，標準大氣壓，flow and heat transfer 使用條件，重力設定，系統空間等。

3.1.2 PCB 板建模

PCB 板目前主要采用的環氧樹脂玻璃板的導熱系數較低(0.26W/(m°C))，導熱性能差。為了提高其導熱能力，可采用散熱印制板。散熱印制板包括:在普通印制板上敷設導熱系數大的金屬(Cu、AI)條(或板)的導熱條(板)印制板;在普通印制板中夾金屬導熱板的夾芯印制板和在印制板上敷設扁平熱管的熱管印制板等。[2]現有措施:盡量增加PCB 板布銅率，從而增加板的導熱。

印制板上的電子元器件，應按其發熱量大小及耐熱程度分區排列，耐熱電子元器件放在冷卻氣流的最上游入口處，耐熱性好的電子元器件放在最下游出口處。[3]1020 CPU 板、基板上發熱元器件的封裝和參數見表2。

表2 1020 CPU 板、基板上發熱元器件的封裝和參數

3.1.3 模塊布局

考慮發熱芯片的散熱，還要考慮發熱源之間相互影響。電源模塊、硬盤+轉接卡的位置盡量遠離CPU 板和基板，防止相互之間的熱影響和熱疊加。

3.1.4 機箱散熱器設計

熱設計常用的散熱方案有自然對流、強迫風冷和液冷等，考慮到產品設計要求：密閉，無風扇，自然散熱，通過機箱熱設計分析計算和初步模擬，可以采用空氣自然對流散熱方案，采用熱量通過導熱塊導熱到散熱器散熱。機箱的上蓋板設計為整體散熱器結構。

3.1.4.1 散熱器的尺寸

根據機箱上蓋板尺寸，散熱器尺寸426mm (長)*260mm（寬），通過機箱熱設計分析計算，以及性價比考慮，散熱器采用廠家現有常用整體成形散熱器結構，或者采用散熱翼片插齒式結合技術工藝結構。

3.1.4.2 吸熱散熱平衡

散熱器分基板和翼片兩部分，基板主要吸收熱量，翼片主要與外部空氣進行對流散熱，當散熱≥吸熱，散熱器起到散熱作用，降低產品溫度。

3.4.1.3 散熱器設計模擬

通過Flotherm 熱仿真模擬，優化得出散熱器尺寸，機箱系統熱平衡狀態下，模擬得出：散熱器采用散熱翼片插齒式結合技術工藝結構，外形尺寸：426mm*260mm*20mm，基板厚度：7mm，翼片高度13mm, 翼片寬度2.5mm, 翼片數量：33片。最終散熱器溫度不超過85°C

3.1.5 導電片襯墊：導電系數、導電厚度導熱片建議采用導熱系數高，薄厚度。

產品設計采用導熱系數5w/m-k,厚度0.5mm 的導熱片。

3.2 熱仿真結果與分析

熱仿真求解得到，環境溫度70°C 時，產品熱穩態的溫度分布，其中產品最高溫度控制在91°C 以下，即內部溫升控制在25°C 范圍內。熱仿真溫度數據如表3 和溫度曲線圖如圖5。

表3 熱仿真溫度數據

圖5 熱仿真溫度曲線圖

如圖6，分別截取XY 面，YZ 面，XY 面溫度分布圖，可以看出，2020EC 的溫度最高，熱量主要集中在產品內的P1020 CPU 板和電源板區域，在進行產品整體規劃時，這兩個模塊上加強散熱。例如增加P1020 CPU 板的導熱模塊的接觸面，增加電源和CPU 之間安裝間距。

圖6 溫度分布圖

如圖7，分別截取XY 面，YZ 面，XY 面產品內部速度矢量圖，產品散熱器的蓋板外的流速較大，說明產品通過散熱器與外部空氣對流散熱最有效，是主要的散熱路徑。

圖7 內部速度矢量圖

4 結論

分析機箱內部發熱模塊的散熱，計算產品的熱流密度，借助Flotherm 軟件對機箱進行熱仿真，模擬得到產品熱平衡狀態下的溫度分布、內部速度矢量圖、各模塊表而的最高溫度，得到如下結論:

在空氣自然散熱條件下，環境溫度70°C 時，產品的熱量通過外殼、散熱器與空氣的對流散熱，溫升可以控制在25°C 內，產品可正常工作。

通過產品實測數據驗證，Flotherm 熱設計軟件仿真數據與實際數據較符合，真實的反映整個產品的熱狀況。熱仿真可以對熱設計進行優化，使機箱產品布局更合理。

結束語

相比傳統試驗熱分析測試，借助Flotherm 熱仿真軟件建立模型，數據求解計算，更為快速且直觀模擬元器件、內部熱模塊在不同結構形式下的內部溫度場和溫度節點，設計者可以全面較準確的掌握不同情況下設備的熱分布情況，從而對比綜合評價各種散熱方案的優劣，解決可能存在的散熱問題，降低分析費用和試樣的試制成本，縮短分析計算時間，提高優化設計能力和設計效率。