某電子設(shè)備的熱分析

董智鼎，李 龍

（船舶重工集團(tuán)公司723所，揚(yáng)州225001）

0 引 言

隨著電子封裝技術(shù)水平的不斷提高，電子產(chǎn)品的外形尺寸越來越小，單位熱流密度也迅速增大。尋找一條低熱阻的通道將熱量有效地傳導(dǎo)出去，避免積聚則尤為重要[1]。電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)是十分必要的環(huán)節(jié)，研究散熱方法，改善散熱方式，提高冷卻效果，對(duì)提高電子產(chǎn)品的運(yùn)行穩(wěn)定性具有十分重要的意義[2]。利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，應(yīng)用專業(yè)仿真軟件進(jìn)行的熱設(shè)計(jì)及熱分析，可大大減少計(jì)算量，縮短研制周期，降低開發(fā)成本，避免傳統(tǒng)分析時(shí)的大量公式計(jì)算。文中根據(jù)工程實(shí)際，利用Icepak軟件對(duì)某電子設(shè)備進(jìn)行熱分析，詳細(xì)介紹了利用Icepak軟件進(jìn)行熱設(shè)計(jì)仿真的過程[3]。

1 物理模型

發(fā)熱器件分布在印制板上，總發(fā)熱功率為23W，環(huán)境溫度62℃，高溫試驗(yàn)2h，器件最高耐受溫度85℃。設(shè)備外形尺寸為：長(zhǎng)150mm，寬100 mm，高31mm。印制板沿長(zhǎng)度方向水平安裝在設(shè)備內(nèi)，如圖1所示。

圖1 電子設(shè)備簡(jiǎn)化模型

發(fā)熱器件的上表面與安裝面緊貼，為了降低發(fā)熱器件與安裝面的接觸熱阻，在其中間均勻地涂抹導(dǎo)熱硅脂。

2 仿真過程

使用Icepak軟件對(duì)實(shí)際的工程問題進(jìn)行熱分析時(shí)，主要過程是建立模型，加載邊界條件，生成網(wǎng)格，檢查氣流，求解計(jì)算，檢查分析。其中關(guān)鍵是模型是否符合實(shí)際，網(wǎng)格是否合理。

2.1 建立模型

如圖2所示，利用模型庫中的cabinet命令建立求解域，然后根據(jù)設(shè)備組成的幾何尺寸應(yīng)用block命令拼接而成；再根據(jù)模型庫中的source命令建立熱源。在建模過程中，為了增大散熱面積，將模型的上表面設(shè)計(jì)為散熱器形式。模型所用材料為硬鋁，其導(dǎo)熱系數(shù)為201W／（m·K），密度為2 800kg／m3，比熱容為1.046 5kJ／（kg·K）。

圖2 仿真模型

2.2 初始條件及邊界條件的設(shè)置

在相應(yīng)的參數(shù)面板中加載初始條件和邊界條件，首先修改Problem setup／Basic parameters中的參數(shù)設(shè)置，主要設(shè)置如圖3所示。

2.3 求解計(jì)算

網(wǎng)格劃分完后，可進(jìn)行求解計(jì)算。啟動(dòng)Fluent求解器開始解算之前，要先設(shè)置求解殘留和迭代次數(shù)[4]。在該算例中，默認(rèn)的殘留設(shè)置即可滿足迭代要求。一般情況下，只要在迭代過程中發(fā)現(xiàn)連續(xù)性方程、動(dòng)量方程及能量方程中有一個(gè)方程發(fā)散，就需要終止迭代，然后重新檢查模型及網(wǎng)格劃分，同時(shí)調(diào)整松弛因子，直至迭代收斂，如圖4所示。

2.4 結(jié)果顯示

通過后處理中的object face功能可以顯示模型的溫度分布，如圖5所示。

由溫度分布云圖可以看出，在自然散熱的條件下，僅僅通過增大散熱面積，無法滿足散熱要求。

3 優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 增加熱管

熱管主要靠工作液體的汽、液相變傳熱，由于熱阻很小，因此具有很高的導(dǎo)熱能力，加入熱管后上述電子器件的仿真模型如圖6所示。熱管具有優(yōu)良的等溫性、熱流方向可逆性。

圖3 參數(shù)設(shè)置

通過圖7可以看出，在增加熱管后，器件溫度分布更加均勻，且最高溫度下降了5℃左右，但是器件的最高溫度仍高于器件耐受溫度。

圖4 殘差曲線

圖5 溫度分布云圖

圖6 仿真模型

圖7 溫度分布云圖

3.2 增加風(fēng)機(jī)

自然散熱無法滿足要求，改為強(qiáng)迫對(duì)流方式，如圖8所示，風(fēng)機(jī)風(fēng)量為40cfm，風(fēng)壓100pa。

圖8 溫度分布云圖

如圖9，由于風(fēng)機(jī)的強(qiáng)迫對(duì)流，散熱效果有了明顯的改善，最高溫度為77.6℃，可以滿足散熱需求。

圖9 沿發(fā)熱器件切面的溫度云圖

4 結(jié)論

通過計(jì)算機(jī)熱仿真，可以為方案設(shè)計(jì)階段提供參考，減少了設(shè)計(jì)的重復(fù)性，提高了工作效率。上述熱控方案的調(diào)整展現(xiàn)了ICEPAK軟件在電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)中的過程和優(yōu)點(diǎn)。利用熱仿真軟件可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)方案中所存在的問題，便于設(shè)計(jì)人員對(duì)方案進(jìn)行某些調(diào)整，在提升設(shè)備品質(zhì)性能的同時(shí)，縮短了整個(gè)設(shè)備的研發(fā)周期，同時(shí)也證明了在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，要將熱設(shè)計(jì)融入結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，兩者兼顧。

[1]徐維新.電子設(shè)備可靠性熱設(shè)計(jì)指南[M].北京：電子工業(yè)出版社，1995.

[2]邱成悌.電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理[M].南京：東南大學(xué)出版社，2001.

[3]王麗.大功率電子設(shè)備結(jié)構(gòu)熱設(shè)計(jì)研究[J].無線電工程，2009，39（1）：61－64.

[4]王彥海，張世偉，徐巖峰.Icepak仿真軟件在水冷底板熱設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].電子機(jī)械工程，2008，24（1）：27－29.