引言

微型化?多密度和高功率是當(dāng)今電子設(shè)備的主流發(fā)展趨勢,但這勢必會帶來熱量的集聚,若不能及時導(dǎo)出熱量,極易產(chǎn)生過熱現(xiàn)象,降低產(chǎn)品可靠性?研究表明電子設(shè)備的失效有55%是熱失效,因此,熱設(shè)計已成為電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計中的必要環(huán)節(jié)?目前強迫風(fēng)冷加翅片散熱是業(yè)界普遍采用的散熱技術(shù),但傳統(tǒng)散熱計算較為復(fù)雜,而采用ICEPAK軟件輔助熱設(shè)計,不僅切實可行,而且可大幅減少計算量,縮短設(shè)計周期,降低研發(fā)成本?

本文以某型號強迫風(fēng)冷散熱的信號處理系統(tǒng)為例,借助ICEPAK軟件對系統(tǒng)進(jìn)行熱分析,根據(jù)熱分析結(jié)果優(yōu)化散熱器結(jié)構(gòu),并以此研究散熱器的尺寸設(shè)計參數(shù)對其散熱性能的影響趨勢?

1問題描述

某型號信號處理系統(tǒng)的PCB板結(jié)構(gòu)分子板和載板上下2層,2層PCB板之間通過插接連接?板面上聚集高密度?高功耗功率芯片,其中載板上的FPGA_zaiban和子板上的FPGA_ziban兩片芯片為溫控重點?

考慮結(jié)構(gòu)緊湊及制造成本,設(shè)計采用強迫風(fēng)冷散熱方式?風(fēng)冷散熱中散熱器設(shè)計至關(guān)重要,文中因各功率芯片高度不一,因此需在翅片散熱器非翅片面增設(shè)不同高度的散熱凸臺輔助導(dǎo)熱,散熱凸臺與功率芯片之間通過導(dǎo)熱硅膠壓接處理?鑒于產(chǎn)品可能遇到的極端環(huán)境或場合,設(shè)計環(huán)境溫度為40℃,在工作過程中主要電子元器件的最高溫度要求不高于100℃?主要計算模型參數(shù)如下:

1) 機箱殼體材料為AL5A06-O態(tài)鋁合金;

2) 散熱器材質(zhì)為AL6063-T5態(tài)鋁合金,導(dǎo)熱系數(shù)為180W/(m·K);

3) 載板基板材料為FR4,板上需控溫元器件共34個,總發(fā)熱功耗為95W;

4) 子板基板材料為FR4,板上需控溫元器件共15個,總發(fā)熱功耗為45W?

2熱仿真分析

2.1物理模型

某型號信號處理系統(tǒng)機箱的外形尺寸為370mm(長)×205mm(寬)×74mm(高)?為了滿足散熱需求,強迫風(fēng)冷采用2個Delta公司的AFB0624EH-AF00型軸流風(fēng)機,風(fēng)機尺寸為60mm×60mm×25.4mm,送風(fēng)方式為吹風(fēng),風(fēng)速流向與內(nèi)部散熱器翅片風(fēng)道方向一致?軸流風(fēng)機固定在機箱寬度方向內(nèi)側(cè)壁,與散熱器翅片方向垂直,其P-Q特性曲線如圖1所示?

受機箱結(jié)構(gòu)和空間尺寸限制,散熱器的基本尺寸為277mm(長)×176mm(寬),初始設(shè)計時對散熱器相關(guān)尺寸設(shè)計參數(shù)分別賦予初始值,其中初始基板厚度為5mm,翅片高度為25mm,翅片厚度為1.4mm,翅片間距為3.6mm?

借助熱仿真軟件ICEPAK模型庫中自帶的Cabi-net模塊創(chuàng)建計算域;使用Block模塊創(chuàng)建機箱殼體;使用PCB模塊創(chuàng)建載板和子板;使用Source模塊創(chuàng)建發(fā)熱元器件熱模型;使用HeatSink模塊創(chuàng)建散熱器結(jié)構(gòu);使用Plate模塊模擬功率芯片和散熱器之間的導(dǎo)熱硅脂,導(dǎo)熱硅脂厚0.6mm,導(dǎo)熱系數(shù)為5W/(m·K);利用Fan模塊創(chuàng)建風(fēng)機,風(fēng)機的P-Q性能工作曲線如圖1所示;利用Grille模塊創(chuàng)建出風(fēng)口?各功能模塊建立完成后通過Assembly將以上模塊組合成裝配體,形成如圖2所示的仿真計算模型?

2.2網(wǎng)格劃分及工況

物理模型類似方體結(jié)構(gòu),設(shè)計采用ICEPAK提供的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格HexaCartesian做網(wǎng)格劃分處理,方便計算?分網(wǎng)后得到539904個網(wǎng)格單元,565455個節(jié)點?網(wǎng)格質(zhì)量檢查結(jié)果的Facealignment項范圍為0.88729~1,Volume項范圍為3.5866E-12~7.212E-6,Skewness項范圍為0.696~1,滿足后續(xù)仿真計算精度要求?

初始工況設(shè)定環(huán)境溫度AmbientTemperature為40℃,加載重力加速度,設(shè)置迭代步數(shù)為500,采用零方程(Zeroequation)湍流模型求解計算Flow和Tem-perature變量?

2.3仿真結(jié)果分析

針對初始設(shè)計的散熱器模擬計算后其系統(tǒng)的溫度分布云圖如圖3所示?由圖3可知,系統(tǒng)內(nèi)部最高溫升為82.03℃,系統(tǒng)溫升遠(yuǎn)小于電子元器件的最高耐熱溫度100℃,系統(tǒng)熱設(shè)計裕量較為寬裕?

本文依據(jù)仿真結(jié)果,在滿足系統(tǒng)散熱性能的前提下,適當(dāng)減小熱設(shè)計裕量用于優(yōu)化散熱器結(jié)構(gòu)布局,以實現(xiàn)系統(tǒng)最佳散熱效果及散熱器結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計?為此,本文以散熱器基板厚度?翅片高度?翅片厚度和翅片間距為散熱器尺寸設(shè)計參數(shù),在保證仿真計算過程中散熱器散熱凸臺與發(fā)熱元器件接觸面積不變的情況下,通過改變以上單一尺寸設(shè)計參數(shù)來研究其對散熱器散熱性能的影響?本文擬定的散熱器各尺寸設(shè)計參數(shù)值見表1?

3散熱器結(jié)構(gòu)熱設(shè)計

3.1基板厚度

以基板厚度為單一可變參數(shù),假定其余3項參數(shù)保持不變,模擬計算基板厚度從2mm逐一增加至6mm時對散熱器散熱性能的影響?根據(jù)仿真結(jié)果得出如圖4所示的系統(tǒng)溫升曲線?

研究表明,在此仿真假定條件下,系統(tǒng)溫升隨基板厚度增加而逐漸增高,可見其散熱效果隨基板厚度的增加呈現(xiàn)降低趨勢?因此,散熱器設(shè)計時應(yīng)適當(dāng)降低基板厚度以保證其散熱效果?

3.2翅片厚度與翅片間距

以翅片厚度為單一可變參數(shù),假定其余3項參數(shù)保持不變,模擬計算翅片厚度從2mm逐一增加至6mm時對散熱器散熱性能的影響?同理,在做翅片間距計算時,以翅片間距為單一可變參數(shù),假定其余3項參數(shù)保持不變,模擬翅片間距從4mm逐一增加至8mm時對散熱器散熱性能的影響?根據(jù)仿真結(jié)果得出如圖5所示的各參數(shù)與系統(tǒng)溫升的對應(yīng)曲線?

研究表明,在此仿真假定條件下,隨著翅片厚度和翅片間距的加大,系統(tǒng)溫升均逐漸增加?可見散熱效果隨翅片厚度和翅片間距的增加均呈現(xiàn)降低趨勢?設(shè)計時在滿足散熱性能的前提下,可優(yōu)選低參數(shù)值?

3.3翅片高度

以翅片高度為單一可變參數(shù),假定其余3項參數(shù)保持不變,模擬計算翅片厚度從20mm間斷增加至28mm時對散熱器散熱性能的影響?根據(jù)仿真結(jié)果得出系統(tǒng)溫升與翅片高度對應(yīng)曲線,如圖6所示?

研究表明,隨著翅片高度的增加,溫升逐漸降低?可見翅片高度的增加可增強散熱器散熱性能?設(shè)計時翅片高度可適當(dāng)選擇高參數(shù)值?

需要說明的是,在實際設(shè)計散熱器結(jié)構(gòu)時,還需根據(jù)結(jié)構(gòu)強度?加工難易度?材料重量等綜合指標(biāo)來選擇合適的散熱器尺寸設(shè)計參數(shù),而不可盲目選擇極限參數(shù)值?

4實驗驗證

根據(jù)以上仿真結(jié)果,結(jié)合實際使用情況,選用基板厚度3mm?翅片厚度2mm?翅片間距4mm和翅片高度22mm的優(yōu)選尺寸設(shè)計參數(shù)來設(shè)計散熱器結(jié)構(gòu)?

對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行再仿真確認(rèn),仿真結(jié)果的溫度分布云圖如圖7所示?由此可見,優(yōu)化散熱器結(jié)構(gòu)后,系統(tǒng)最高溫升為84.297℃,較原始散熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計溫升提高了2.267℃,但仍可滿足系統(tǒng)芯片最高耐熱溫度要求?雖然優(yōu)化后散熱器的散熱性能略微降低,但優(yōu)化后的散熱器整體重量降低了10%,對實現(xiàn)輕量化設(shè)計具有明顯優(yōu)勢?

為了驗證熱仿真設(shè)計的準(zhǔn)確性與可靠性,本文借助高低溫實驗箱模擬環(huán)境條件,通過監(jiān)控載板和子板上主芯片FPGA的實際溫度變化(FPGA位置見圖2),并對比仿真數(shù)據(jù),確認(rèn)仿真計算的準(zhǔn)確性與可靠性?

通過數(shù)據(jù)處理獲得仿真與實驗狀態(tài)下載板和子板的FPGA溫度變對比曲線,如圖8所示?對比數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),在實驗狀態(tài)下,載板和子板的實測FPGA溫度分別為55.5℃和59.3℃,而在仿真狀態(tài)下,載板和子板的FPGA溫度分別為57.15℃和60.08℃?計算得出載板FPGA溫度的仿真結(jié)果與實際誤差約為3%,而子板FPGA溫度的仿真結(jié)果與實際誤差約為1.3%,均在工程誤差允許范圍之內(nèi),說明仿真數(shù)據(jù)與試驗結(jié)果比較一致?

5結(jié)束語

研究得出風(fēng)冷散熱器中基板厚度?翅片高度?翅片厚度和翅片間距等尺寸設(shè)計參數(shù)對其散熱效果的影響趨勢?結(jié)果表明:隨著基板厚度?翅片厚度和翅片間距的增大,風(fēng)冷散熱器的散熱效果均呈現(xiàn)降低趨勢,系統(tǒng)溫升逐步提高;隨著翅片高度的增加,散熱器的散熱效果呈現(xiàn)增強趨勢,系統(tǒng)溫升逐漸降低?針對特定條件下的散熱器,根據(jù)仿真結(jié)果可設(shè)計最佳的散熱器結(jié)構(gòu)布局,且設(shè)計優(yōu)化后,在滿足散熱性能的前提下,散熱器整體減重可達(dá)10%,輕量化設(shè)計優(yōu)勢明顯?

通過高低溫實驗得出載板和子板的FPGA實際溫度與仿真結(jié)果誤差分別為3%和1.3%,均在工程誤差允許范圍之內(nèi),說明仿真數(shù)據(jù)與實驗結(jié)果較為吻合,由此驗證了ICEPAK軟件在電子設(shè)備散熱設(shè)計方面的準(zhǔn)確性與可靠性?

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