基于Icepak的某电子设备散热设计

2020-08-26苏志强

舰船电子对抗 2020年3期

苏志强

(中国电子科技集团公司第二十研究所，陕西西安 710068)

0 引言

随着大规模集成电路的不断发展，电子元器件物理极限不断被打破，电子设备小型化成为发展趋势，随之而来的是设备的热流密度越来越高，而温度过高会导致电子元器件功能失效，据统计有超过一半的故障是由热引发的，并且故障率会随温度升高成指数式增长[1-3]。因此，散热设计已成为电子设备结构设计中不得不考虑的一个重要问题。热设计就是通过合理的散热方式保障良好的热环境，以确保电子设备可靠地工作。目前常用的热设计方法是借用ANYSY Icepak软件对设备的散热能力进行仿真分析，可有效避免传统设计中通过经验预估带来的精度低、周期长等缺点，设计人员只需通过建立热仿真模型、输入边界条件即可仿真模拟出设备的各部分温度，为后续结构的优化设计提供依据。在实际工程设计中，根据总体单位装机尺寸要求需对设备进行小型化设计，小型化必然导致单位面积上的热量增加，因此选用合适的散热结构成为该设备结构设计中的关键环节[4]。本文以该小型化设备结构设计为例，详细阐释Icepak在热仿真分析中的具体应用。

1 电子设备热分析计算

1.1 设备组成

受输入设备安装空间约束，并充分考虑减重及热环境要求，设计了一种结构紧凑型的小型化端机，如图1所示。该设备外形尺寸为宽×高×深=110 mm×194 mm×270 mm，主要由射频模块和数字模块两部分组成，两部分采用拼装式结构组合为一体化端机。机身整体采用5A06材料，并采用密封结构以提高端机的环境适应性。设备内部电路板利用螺钉固定在侧壁上，并将电路板上主要发热器件贴在侧壁上。

图1 设备的组成结构示意图

1.2 热设计要求

已知该设备的总热耗为65.5 W，计算设备的表面热流密度约为0.032 W/cm2。设备内部元器件许用结温需要控制在110 ℃以内。因此，为保证设备在+45 ℃环境温度下正常工作，最大允许温升为65 ℃。按图2所示的热流密度、温升选择冷却方法可初步确定该设备采用自然冷却的散热方式。通过“元器件→导热硅胶→冷板(箱壁)→周围环境”这条散热途径有效地将元器件产生的热量传至外部环境。

图2 按热流密度、温升选择冷却方法[5]

自然散热一般包括传导、对流和辐射3种热量交换方式[6]。为增强该设备的自然散热能力，从以下几个方面进行优化设计：(1)尽可能降低传热路径上各环节热阻，形成一条低热阻通路，如用导热系数高的导热垫；(2)提高壳体向外传热能力，包括提高壳体外表面的黑度以增强辐射效率，在壳体两侧增加散热齿以增大散热面积等。下面可通过Icepak热分析软件来验证散热方式及结构设计的合理性。

2 基于Icepak的散热仿真

热仿真的目的是在设备工作的环境温度下，根据设定的环控条件，通过仿真软件迭代计算，确定各模块的最高温度是否超过元器件温度许用值。主要仿真步骤如图3所示。

图3 基于Icepak的热仿真流程

2.1 热仿真

首先通过UG平台进行设备三维模型的建立，利用Icepak热仿真软件依次实现模型的网格划分、参数设置、计算、求解。为了提高计算速率，将模型导入Icepak之后需要对设备的UG模型进行简化处理，去除所有螺钉孔、倒角、圆角，保证设备各部分表面光滑平齐，去掉尺寸较小的孔、凸台、圆角；删除所有与热分析无关的连接件(如螺钉、连接器、电缆等)，保留主要散热部件，建立如图4所示的热仿真模型。

图4 热仿真模型

设备壳体材料设定为Al，印制板采用FR4，其余器件、芯片等根据实际情况赋予相应材料参数。网格划分采用Mesher-HD六面体占优网格，网格单元数为285 168。通过网格质量检验，完成单元网格划分，设定初始工况参数如表1所示。

2.2 仿真结果分析

经过软件迭代计算，得出设备在不同条件下的温度云图。在环境温度为25 ℃条件下的仿真结果如图5和图6所示，增加散热齿可降低6.2 ℃温升，从而验证了外表面增加散热齿有利于设备散热。在环境温度45 ℃条件下的温度云图如图7所示，设备最高温度为106.9 ℃，满足元器件耐温要求，表明产品结构设计合理，热功耗可以有效散到周围环境中，能够满足系统的环境适应性要求。