基于Icepak 的某電子設備散熱設計

熱設計網 2022-07-20

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。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。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＝１１０ｍｍ×１９４ｍｍ×２７０ｍｍ，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６５．５Ｗ，計算設備的表面熱流密度約為０．０３２Ｗ／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

自然散熱一般包括傳導、對流和輻射３種熱量交換方式。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。

表１仿真參數設置

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。

圖５仿真結果云圖（無散熱齒，環境溫度２５℃ ）