一種堆疊式小型高速信號(hào)處理模塊的熱分析研究

涂 炯，秦友倫，祝本明

（中國(guó)兵器工業(yè)第五八研究所 四川 綿陽621000）

一種堆疊式小型高速信號(hào)處理模塊的熱分析研究

涂 炯，秦友倫，祝本明

（中國(guó)兵器工業(yè)第五八研究所 四川 綿陽621000）

針對(duì)小型高速信號(hào)處理模塊逐漸向小型化、微型化、便攜式發(fā)展的特點(diǎn)，提出了一種堆疊式小型高速信號(hào)處理模塊預(yù)設(shè)計(jì)方案。該方案依據(jù)設(shè)備全密閉腔體結(jié)構(gòu)，分析了高速信號(hào)采集板和高速信號(hào)處理板散熱分布，并依據(jù)散熱分布建立了兩種散熱分析模型，通過理論計(jì)算得出符合設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)方案；然后采用FloTHERM軟件進(jìn)行了熱分析。FloTHERM軟件分析結(jié)果表明：在55℃工作環(huán)境下，最熱處為DSP芯片，溫度為78℃左右，熱量成輻射狀散開，整體設(shè)備殼溫為60℃左右，滿足模塊散熱需求，驗(yàn)證了機(jī)箱熱設(shè)計(jì)的合理性。

熱分析；堆疊式；高速信號(hào)處理；FloTHERM

隨著電子技術(shù)不斷發(fā)張，高速信號(hào)處理模塊逐漸向小型化、微型化、便攜式發(fā)展，因此高速信號(hào)處理模塊的功能和復(fù)雜性日益增長(zhǎng)，其電子器件的熱流密度急劇增加，設(shè)備的溫度隨之上升，從而影響高速信號(hào)處理模塊的可靠性[1-6]。

實(shí)踐表明，電子元件故障率會(huì)隨溫度升高呈指數(shù)增加，電子設(shè)備的性能則與溫度變化成反比。甚至有的器件在環(huán)境溫度每升高10℃，失效率會(huì)增大1倍以上。根據(jù)文獻(xiàn)可知，55%的電子設(shè)備失效率是由溫度超過規(guī)定的值引起的，因此，對(duì)電子設(shè)備而言，即使溫度降低1℃，設(shè)備的失效率也會(huì)降低一個(gè)可觀的量值。由此可見，電子設(shè)備的熱設(shè)計(jì)尤為重要[7-11]。

電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)是指對(duì)設(shè)備的耗熱器件、單板、整機(jī)以及系統(tǒng)采用合適的冷卻技術(shù)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)設(shè)備溫升進(jìn)行控制，從而保證電子設(shè)備或系統(tǒng)運(yùn)行正常，提高設(shè)備的可靠性。國(guó)外研究電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)始于60年代，發(fā)展了電子設(shè)備的熱分析技術(shù)、熱設(shè)計(jì)技術(shù)以及熱測(cè)試技術(shù)。目前，我國(guó)熱設(shè)計(jì)技術(shù)已日趨成熟，已在航空航天及軍事等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[12-15]。

1 堆疊式小型高速信號(hào)處理模塊架構(gòu)

小型高速信號(hào)處理模塊為全密閉腔體結(jié)構(gòu)，采用堆疊式方式安裝，安裝于堆疊架構(gòu)的頂層，外形尺寸為120mm×120mm×50mm（長(zhǎng)×寬×高），通過4個(gè)M4螺釘與底層模塊連接，螺釘孔間距為108mm× 88mm（長(zhǎng)×寬）。

設(shè)備分為上下兩個(gè)腔體，采用2A12鋁合金材料，內(nèi)部安裝分別安裝高速信號(hào)采集卡和高速信號(hào)處理卡，模塊底部安裝絕熱墊，防止頂層和底層直接熱量傳導(dǎo)。

設(shè)備環(huán)境工作溫度為：-40℃～+55℃，存儲(chǔ)溫度：-45℃～+60℃，放置于密閉艙內(nèi)。

圖1 小型高速信號(hào)處理模塊結(jié)構(gòu)圖

2 熱建模

設(shè)備內(nèi)部包含高速信號(hào)采集板和高速信號(hào)處理板兩塊板卡。高速信號(hào)采集板主要發(fā)熱器件為ADC、DAC、FPGA等芯片；高速信號(hào)處理板主要發(fā)熱器件為DSP芯片和處理芯片，最大功耗分別為10.5 W和7 W。

設(shè)備下腔體安裝絕熱墊，其底面?zhèn)鲗?dǎo)散熱有限，可忽略不計(jì)，模塊主要通過自然空氣對(duì)流和輻射散熱。

根據(jù)牛頓方程，對(duì)流換熱可表示為：

式中，hc—換熱系數(shù) （W/（m2·℃））；

A—換熱面積 （m2）；

（tw-tf）—溫差 （℃）。

因模塊尺寸較小 （任何方向尺寸都小于600），溫度參數(shù)在20～200℃之間，自然空氣對(duì)流時(shí)的散熱量可表示為：

式中，Ψ---熱流密度 （W/m2）；

A---換熱面積 （m2）。

通過簡(jiǎn)化，工程上可用如下公式：

式中，C、D---特征尺寸，查表1確定；

ΔT---溫差 （℃）。

表1 特征值表

熱輻射傳遞的熱量為：

式中，Q—單位時(shí)間內(nèi)物體輻射熱量 （W）；

ε—物體輻射系數(shù)；

C0—黑體輻射系數(shù)，C0=5.67 W/m2.K4；

T1、T2—絕對(duì)溫度K；

A—輻射物體表面積m2。

表2 物體輻射系數(shù)表

模塊現(xiàn)擬定兩種散熱方式，并對(duì)其進(jìn)行計(jì)算：

方式一：模塊外殼設(shè)計(jì)成120mm×120mm×50mm（長(zhǎng)×寬×高）方形腔體。

查表1，模塊為熱面朝上的散熱平面。故C=0.54。

環(huán)境工作溫度55℃，芯片殼溫85℃，ΔT=30℃。

特征尺寸：

D=（2×0.12×0.1）/（0.12+0.1）=0.11

代入式（3）得到熱流密度：

Ψ=2.5C·ΔT1.25/D0.25=2.5×0.54×301.25÷0.110.25=164.6（W/m2）

圖2 方形腔體示意圖

散熱面積 （不含底面）：

A=0.0296（m2）

此方案，自然對(duì)流散熱：

φ=Ψ·A=4.87（W）

輻射散熱：

因此，此種方案散熱量為4.87+0.69=5.56（W）＜17.5（W），故不能滿足模塊散熱需求。

方式二：模塊頂部及兩側(cè)開散熱翅片。

由于模塊體積限制，翅片高度不應(yīng)該太高，翅片效率：

當(dāng)m·H=0.5時(shí)，ηfin=90%。如果再增加翅片高度，翅片效率將緩慢的趨向于1。其中特征值m為：

這個(gè)特征值與熱交換系數(shù)h、翅片材料熱導(dǎo)率、翅片厚度有關(guān)。本設(shè)計(jì)選用鋁材料自然對(duì)流方式k≈180 W/m2K，自然對(duì)流h=5 W/m2K，翅片高和厚度分別設(shè)計(jì)為10mm和1.5mm，代入公式（5）和（6）計(jì)算可得翅片效率大于90%，滿足散熱需求。

圖3 模塊翅片設(shè)計(jì)圖

模塊翅片間距太大則相應(yīng)的表面積較小，如果翅片間距太小則氣流的阻力比較大，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，翅片間距設(shè)計(jì)為3mm。

通過計(jì)算，散熱面積（不含底面）：

自然對(duì)流散熱量：

輻射散熱：

因此，總散熱量Q總=13+10.76+1.5=24.26 W，大于模塊散熱量17.5（W），滿足模塊散熱需求。

3 熱仿真

采用FloTHERM軟件進(jìn)行了熱分析，F(xiàn)loTHERM是一套由電子系統(tǒng)散熱仿真軟件先驅(qū)——英國(guó)FloMERICS軟件公司開發(fā)并廣為全球各地電子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程師和電子電路設(shè)計(jì)工程師使用的電子系統(tǒng)散熱仿真分析軟件，全球排名第一且市場(chǎng)占有率高達(dá)80%以上。在熱分析領(lǐng)域始終處于領(lǐng)先地位，并被業(yè)界一致推崇的一款熱分析軟件。

本次分析條件如下:

1）整機(jī)殼體材料為鋁板2A12；

2）環(huán)境溫度+55度；

3）凸臺(tái)與器件之間的導(dǎo)熱墊參數(shù):導(dǎo)熱系數(shù)2.8 W/M2K

4）高速信號(hào)處理板的發(fā)熱器件包括以下幾種:

①DSP芯片:芯片尺寸27mm×27mm×2.1mm，工作溫度-40℃～85℃，功耗3.1 W。

②處理芯片:芯片尺寸14mm×14mm×1.4mm，工作溫度-40℃～85℃，功耗1.2 W。

整個(gè)高速信號(hào)處理板功耗約為7 W，發(fā)熱器件大致布局如圖4所示。

圖4 高速信號(hào)處理板主要發(fā)熱器件布局圖（功耗7 W）

5）高速信號(hào)采集板的發(fā)熱器件包括以下幾種:

①芯片1:芯片尺寸23mm×23mm×2.5mm，工作溫度-40℃～100℃，功耗2 W。

②芯片2:芯片尺寸16mm×16mm×1.2mm，工作溫度-40℃～85℃，功耗1.8 W。

③芯片3:芯片尺寸8mm×8mm×1mm，工作溫度-40℃～85℃，功耗1.6 W。

④ 芯片4:芯片尺寸6mm×18mm×1mm，工作溫度-40℃～85℃，功耗1 W。

整個(gè)高速信號(hào)采集板功耗約為10.5 W，大致布局如圖5所示。

圖5 高速信號(hào)處理板主要發(fā)熱器件布局圖（功耗10.5 W）

FloTHERM軟件熱仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 熱仿真圖

4 結(jié)束語

針對(duì)堆疊式小型高速信號(hào)處理模塊采用全密閉腔體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在分析設(shè)備散熱分布的基礎(chǔ)上，建立了兩個(gè)散熱模型，通過理論計(jì)算選擇較優(yōu)的散熱模型，最后使用熱分析FloTHERM軟件進(jìn)行了仿真分析。FloTHERM軟件分析結(jié)果表明：在55℃工作環(huán)境下，最熱處為DSP芯片，溫度為78℃左右，熱量成輻射狀散開，整體設(shè)備殼溫為60℃左右，滿足模塊散熱需求，從而驗(yàn)證了機(jī)箱熱設(shè)計(jì)的合理性。

[1]余寧.永磁電機(jī)的熱分析與冷卻結(jié)構(gòu)優(yōu)化[D].寧波：寧波大學(xué)，2015.

[2]韓文志.To-CAN封裝的半導(dǎo)體激光器的熱分析及溫控研究[D].濟(jì)南：山東大學(xué)，2015.

[3]姜本剛.滾珠軸承支承高速電主軸熱特性分析[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2016..

[4]劉華水.電子電路熱分析研究[D].南京：南京大學(xué)，2015.

[5]劉芮.動(dòng)態(tài)測(cè)壓熱分析技術(shù)及應(yīng)用研究[D].北京：北京理工大學(xué)，2015.

[6]孫海剛，劉婷婷.數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)靜動(dòng)熱分析知識(shí)庫(kù)研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2014（10）:180-182.

[7]雷默涵，姜歌東，梅雪松，等.高速球軸承微接觸彈流摩擦及生熱分析 [J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2016（4）：9-11.

[8]鄭婷婷，王冬青，高艷普.基于Ansys的干式變壓器熱分析[J].青島大學(xué)學(xué)報(bào):工程技術(shù)版，2015，30（3）:16-20.

[9]宋科，楊邦成，朱可可.不同環(huán)境下的純錫微滴快速熱分析研究[J].新技術(shù)新工藝，2015（7）:86-90.

[10]范鵬.電性源發(fā)射機(jī)產(chǎn)熱分析及散熱設(shè)計(jì)[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2015.

[11]吳建華，胡杰浩，陳昂，等.全封閉R32滾動(dòng)活塞壓縮機(jī)的熱分析 [J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，49（3）:14-18.

[12]徐振宇，李大勇，馬旭梁，等.球鐵爐前熱分析-共晶膨脹雙曲線精密測(cè)量方法 [J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2016（6）.

[13]陳政忠.卡口機(jī)的熱分析和散熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].濟(jì)南：山東大學(xué)，2015.

[14]何李婷.純電動(dòng)汽車兩檔自動(dòng)變速器傳動(dòng)系統(tǒng)的熱分析[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2015.

[15]杜文雄，唐普英，王舒冰，等.基于有限元模型的三維集成電路熱分析 [J].電子設(shè)計(jì)工程，2015，23（10）:79-82.

Study on thermal analysis of a stackable small high-speed signal processing module

TU Jiong，QING You-lun，ZHU Ben-ming
（N0.58 Research Institute of China Ordnance Industries，Mianyang 621000，China）

According to the small high-speed signal processing module gradually to the characteristics of the miniaturization，micromation，portable，a design scheme of stackable small high-speed signal processing module is introduced.The scheme on the basis of equipment all closed cavity structure，analyzes the high-speed signal acquisition boards and high-speed signal processing board heat distribution，and two kinds of thermal analysis model is established based on the heat dissipation distribution，through the theoretical calculation design plan comply with the design requirements；then analyzed the thermal by the FloTHERM software.FloTHERM software analysis results show that:in 55℃ work environment，the hottest place is DSP chip，about 78℃，the heat into radial scatter，overall equipment shell temperature about 60℃，meet the requirements of heat dissipation，verified the rationality of the design of heat.

thermal analysis；stackable；high-speed signal processing；FloTHERM

TN06

：A

：1674－6236（2017）06-0005-04

2016-05-12稿件編號(hào)：201605107

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（61133016）

涂 炯（1986—），男，四川射洪人，工程師。研究方向：工業(yè)控制計(jì)算機(jī)。