發(fā)控盒散熱設(shè)計(jì)的熱仿真及熱測(cè)試分析

許連虎，楊科

（中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院，河南 洛陽(yáng) 471099）

電子設(shè)備工作時(shí)，元器件和設(shè)備的輸出功率往往只占輸入功率的一部分，其功率損失一般都以熱能形式散發(fā)出去，因而元器件和設(shè)備會(huì)發(fā)熱。隨著電子元器件及電子設(shè)備功率密度的不斷增加，溫度已成為影響其可靠性的主要因素之一[1—2]。

隨著溫度的升高，電子元器件及電子設(shè)備的失效率呈指數(shù)增長(zhǎng)趨勢(shì)[2]，一般地，環(huán)境溫度每升高10℃，失效率增大1倍以上，因此稱為10℃法則[2—3]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，超過55%的電子設(shè)備的失效是由溫度過高引起的[3—7]，也即，電子設(shè)備的主要失效形式是熱失效。

為保證設(shè)備的熱可靠性，散熱設(shè)計(jì)和熱分析已勢(shì)在必行。實(shí)際工作中，合理利用熱分析軟件進(jìn)行熱設(shè)計(jì)，可提高產(chǎn)品一次成功率，從而縮短研制周期，降低成本[2]。某型發(fā)射裝置的發(fā)控盒所處工作環(huán)境惡劣，對(duì)其熱設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證是有必要的。文中對(duì)該發(fā)控盒進(jìn)行包括熱設(shè)計(jì)計(jì)算、熱仿真、熱測(cè)試在內(nèi)的熱分析，以確定元器件溫度是否在允許的正常工作溫度范圍內(nèi)，判斷其散熱設(shè)計(jì)是否滿足要求。

1 發(fā)控盒熱設(shè)計(jì)

發(fā)控盒安裝于發(fā)射裝置內(nèi)部，受空間和環(huán)境的限制，且要考慮三防設(shè)計(jì)和電磁兼容設(shè)計(jì)，因此，發(fā)控盒采用密封結(jié)構(gòu)，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

圖1 發(fā)控盒CAD數(shù)字樣機(jī)Fig.1 CAD digital model of emitting control box

為減輕發(fā)控盒整體質(zhì)量，并提高熱傳導(dǎo)性能，發(fā)控盒結(jié)構(gòu)件材料為鋁合金2A12；電路板材料為FR4，覆銅率10%；關(guān)鍵元器件的材料和功耗見表1。

發(fā)控盒的使用環(huán)境溫度為-55～70℃。對(duì)于冷卻方法的選擇，計(jì)算分析如下。

由表1可知，發(fā)控盒總功耗為QT=4.15 W。發(fā)控盒熱穩(wěn)態(tài)下散熱表面的熱流密度按式（1）進(jìn)行計(jì)算：

發(fā)控盒的最高環(huán)境溫度為70℃，考慮到其內(nèi)部模塊、元器件的耐高溫性能（105～125℃），其內(nèi)部溫升應(yīng)控制在25～35℃范圍之內(nèi)。電子設(shè)備自然冷卻散熱達(dá)到熱穩(wěn)態(tài)條件下，內(nèi)部溫升不超過25～35℃時(shí)，空氣自然冷卻散熱的熱流密度閾值一般在0.3×10-2～4.2×10-2W/cm2。根據(jù)設(shè)備的允許溫升和熱流密度冷卻方法選擇圖[11—12]，由計(jì)算結(jié)果可知，發(fā)控盒熱穩(wěn)態(tài)下的熱流密度小于自然冷卻散熱的閾值，發(fā)控盒內(nèi)部溫升應(yīng)小于25℃，則模塊、器件的工作溫度小于95℃，發(fā)控盒自然冷卻散熱完全可以滿足散熱要求。

表1 元器件屬性Table 1 Component properties

2 熱仿真分析

文中基于電子設(shè)備熱仿真軟件FLOTHERM對(duì)發(fā)控盒進(jìn)行建模和仿真分析。FLOTHERM基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）理論，采用MonteCarlo法，用于解決三維流場(chǎng)及基于面積細(xì)分高精度的輻射計(jì)算問題。FLOTHERM采用的是有限體積法[8—10]。

結(jié)合產(chǎn)品CAD結(jié)構(gòu)圖，并根據(jù)熱設(shè)計(jì)信息建立產(chǎn)品CFD數(shù)字樣機(jī)，如圖2所示。

圖2 發(fā)控盒CFD數(shù)字樣機(jī)Fig.2 CFD digital model of test product

受試產(chǎn)品在平臺(tái)環(huán)境25℃條件下，整機(jī)溫度分布如圖3所示。

圖3 整機(jī)溫度分布Fig.3 The global temperature distribution

含有高溫器件的電路板溫度分布如圖4所示。

圖6 各電路板溫度分布（環(huán)境溫度：25℃）Fig.6 The circuit board temperature distribution（ambient temperature：25 ℃）

微機(jī)板溫度分布如圖4a所示，其高溫器件的溫度見表2。2）接口板溫度分布如圖4b所示，其高溫器件的溫度見表3。發(fā)射板溫度分布如圖4c所示，其高溫器件的溫度見表4。

3 熱測(cè)試

根據(jù)熱仿真模型和結(jié)果，對(duì)溫升明顯的元器件設(shè)置溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)，環(huán)境溫度25℃穩(wěn)態(tài)熱測(cè)試結(jié)果見表5。

表2 微機(jī)板中的高溫器件Table 2 High-temperature components of the computer board

表3 接口板中的高溫器件（環(huán)境溫度：25℃）Table 3 High-temperature components of the interface board

表4 發(fā)射板中的高溫器件（環(huán)境溫度：25℃）Table 4 High-temperature components of the emitting board

表5 元器件熱測(cè)試結(jié)果（環(huán)境溫度：25℃）Table 5 Thermal Test Results of the Components

25℃下熱仿真和熱測(cè)試溫升結(jié)果對(duì)比分析見表6。由表6可知，仿真和測(cè)試溫升結(jié)果基本一致，仿真分析有效可信。

發(fā)控盒70℃高溫環(huán)境下熱仿真結(jié)果見表7，由表7可知，元器件溫度均未超過最高允許工作溫度。

表6 元器件熱仿真和熱測(cè)試溫升結(jié)果（環(huán)境溫度：25℃）Table 6 Thermal simulation and thermal test temperature rise results of the components(ambient temperature:25℃)

表7 發(fā)控盒元器件溫度（環(huán)境溫度：70℃）Table 7 Components temperature of the emitting control box(ambient temperature:70℃)

4 結(jié)論

借助熱仿真分析軟件可以快速、準(zhǔn)確地得到系統(tǒng)的熱設(shè)計(jì)分析結(jié)果，給出設(shè)備的溫度場(chǎng)分布以及元器件溫度，從而使設(shè)計(jì)者對(duì)設(shè)備的散熱能力有直觀、準(zhǔn)確的了解，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的問題并予以修改，迭代進(jìn)行設(shè)計(jì)和仿真，使其最終滿足技術(shù)要求[11—13]。

文中利用熱仿真軟件FLOTHERM，模擬計(jì)算了發(fā)控盒內(nèi)部的溫度場(chǎng)分布特性。在初始溫度25℃時(shí)，對(duì)發(fā)控盒進(jìn)行穩(wěn)態(tài)仿真，通過仿真發(fā)現(xiàn)，微機(jī)板局部溫度最高達(dá)到51.7℃，5個(gè)元器件溫度偏高；接口板局部溫度最高達(dá)到48.5℃，2個(gè)元器件溫度較高；發(fā)射板局部溫度最高達(dá)到44.7℃，1個(gè)元器件溫度較高。25℃下熱測(cè)試結(jié)果與熱仿真的計(jì)算結(jié)果基本一致，表明熱分析結(jié)果是有效、可信的。由70℃仿真結(jié)果可知，元器件溫升均未超過最高允許工作溫度，滿足熱設(shè)計(jì)要求。

為降低微機(jī)板元器件溫升，建議在后續(xù)階段的設(shè)計(jì)過程中適當(dāng)改進(jìn)電路設(shè)計(jì)，分散布置大功耗器件，尤其應(yīng)關(guān)注高溫器件DCDC模塊1N1，注意其選型并進(jìn)行必要的降額、散熱設(shè)計(jì)。

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