某伺服控制模塊熱仿真分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)*

余 濤，周晨龍，馬 巖

(中國電子科技集團(tuán)公司第二十研究所， 陜西 西安 710068)

某伺服控制模塊熱仿真分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)*

余 濤，周晨龍，馬 巖

(中國電子科技集團(tuán)公司第二十研究所， 陜西 西安 710068)

隨著芯片的集成度和功率越來越高，模塊級(jí)電子設(shè)備的熱設(shè)計(jì)問題日益突出。文中利用Icepak軟件對(duì)某伺服控制模塊進(jìn)行熱設(shè)計(jì)。基于熱分析理論，在模塊上加工散熱翅片，并分析不同翅片厚度和翅片間距對(duì)溫度分布的影響，最終得到滿足溫度要求和加工要求的熱設(shè)計(jì)。結(jié)果表明，散熱翅片可以在不增加額外冷卻設(shè)備及不增大模塊外形尺寸的前提下有效降低模塊整體溫度。文中的分析方法可為模塊級(jí)電子設(shè)備的熱設(shè)計(jì)提供參考。

熱分析；優(yōu)化；Icepak；翅片厚度；翅片間距

引 言

隨著微電子技術(shù)飛速發(fā)展，多芯片模塊和高密度三維組裝技術(shù)日趨成熟，電子裝備朝著高集成度、高密度、高功率方向發(fā)展[1]。近年來，電子設(shè)備技術(shù)發(fā)展主要呈現(xiàn)以下幾個(gè)趨勢：1)電子系統(tǒng)的集成度越來越高，熱流密度越來越大；2)電子產(chǎn)品向微型化方向發(fā)展，功率更大而外形尺寸越來越?。?)電子設(shè)備的使用范圍日益廣泛，使用環(huán)境不斷復(fù)雜化。電子產(chǎn)品的這些發(fā)展趨勢使得電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)問題越發(fā)突出[2]。研究表明：半導(dǎo)體元件溫度升高10 ℃，其可靠性降低50%；對(duì)電子設(shè)備而言，溫度每降低1 ℃，其失效率將下降4%[3]。因此，采取有效的熱設(shè)計(jì)方案是提高電子產(chǎn)品可靠性的關(guān)鍵。

電子設(shè)備的熱設(shè)計(jì)以其熱分析結(jié)果為前提，隨著計(jì)算機(jī)硬件的升級(jí)換代和軟件集成技術(shù)的發(fā)展，采用數(shù)值計(jì)算的方法實(shí)現(xiàn)電子設(shè)備的熱分析已經(jīng)成為電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)的主要手段。相較于傳統(tǒng)熱分析方法，數(shù)值仿真技術(shù)可以有效降低設(shè)計(jì)成本，縮短設(shè)計(jì)時(shí)間，提前掌握設(shè)計(jì)中易出問題的薄弱環(huán)節(jié)，規(guī)避設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，從而提高產(chǎn)品的一次成功率。根據(jù)文獻(xiàn)[4]對(duì)當(dāng)前4種應(yīng)用較為廣泛的熱仿真軟件的分析比較，本文采用精度較高、計(jì)算速度較快的Icepak軟件對(duì)某伺服控制模塊進(jìn)行熱分析，得到溫度分布，并對(duì)其導(dǎo)熱蓋板進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，將模塊的工作溫度降低至許用溫度范圍。

1 伺服控制模塊基本參數(shù)

1.1 印制板結(jié)構(gòu)參數(shù)

某伺服控制模塊主要由印制板及導(dǎo)熱蓋板兩部分構(gòu)成，印制板為標(biāo)準(zhǔn)6U板卡，外形尺寸為233 mm × 160 mm，印制板上安裝有多個(gè)元器件，如圖1所示，其中C1～C4為發(fā)熱器件，各發(fā)熱器件的結(jié)構(gòu)尺寸、熱耗及許用溫度如表1所示。

圖1 伺服控制板發(fā)熱器件分布圖

位號(hào)器件尺寸/mm熱耗/W許用溫度/℃C124×24×220105C223×23×218100C313×13×21295C414×14×21595

由表1可知，該伺服控制模塊的單板熱耗達(dá)到65 W，其中C1熱耗最大，達(dá)到20 W。

1.2 導(dǎo)熱蓋板結(jié)構(gòu)參數(shù)

該伺服控制模塊另一主要結(jié)構(gòu)為導(dǎo)熱蓋板，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，導(dǎo)熱蓋板內(nèi)側(cè)加工有螺栓柱和導(dǎo)熱凸臺(tái)。印制板通過螺釘和導(dǎo)熱蓋板上螺栓柱緊固連接，可對(duì)印制板的剛度起到增強(qiáng)作用。導(dǎo)熱蓋板同時(shí)可對(duì)模塊進(jìn)行散熱，根據(jù)印制板發(fā)熱器件位置，在導(dǎo)熱蓋板相應(yīng)位置設(shè)計(jì)導(dǎo)熱凸臺(tái)，發(fā)熱器件產(chǎn)生的熱量通過導(dǎo)熱凸臺(tái)傳遞至蓋板表面實(shí)現(xiàn)散熱。實(shí)際使用時(shí)，為保證發(fā)熱器件和導(dǎo)熱凸臺(tái)充分接觸，減小接觸熱阻，通常在發(fā)熱器件和導(dǎo)熱凸臺(tái)之間加裝一層導(dǎo)熱絕緣襯墊。

圖2 導(dǎo)熱蓋板結(jié)構(gòu)外形圖

2 熱仿真分析

采用ANSYS中的Icepak軟件對(duì)該模塊進(jìn)行熱分析，綜合計(jì)算時(shí)間和計(jì)算精度，根據(jù)模型特點(diǎn)，在保證對(duì)仿真結(jié)果影響較小的前提下，對(duì)仿真模型進(jìn)行部分簡化，主要包括：1)忽略印制板上幾何尺寸很小的焊盤、過孔等；2)忽略連接印制板和導(dǎo)熱蓋板的螺釘。簡化后的模型如圖3所示。

圖3 簡化模型

將伺服控制模塊的三維模型導(dǎo)入Icepak中進(jìn)行熱分析，參數(shù)設(shè)置如下：印制板設(shè)置為FR4材料，導(dǎo)熱蓋板設(shè)置為鋁合金材料，4個(gè)發(fā)熱器件按照表1中的數(shù)據(jù)分別加載熱耗，環(huán)境溫度為20 ℃，模塊寬度方向上設(shè)置為開口(opening)。邊界條件設(shè)置完成后，對(duì)分析模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，為了保證計(jì)算精度并降低網(wǎng)格數(shù)量，這里采用非連續(xù)網(wǎng)格法，得到網(wǎng)格模型如圖4所示。

圖4 伺服控制模塊網(wǎng)格模型

在Icepak中仿真得到伺服控制模塊溫度分布如圖5所示。

圖5 伺服控制模塊溫度分布

由圖5可以看出，模塊的最高溫度出現(xiàn)在熱源位置處，側(cè)邊開口處溫度最低。表2給出了各器件的最高溫度數(shù)據(jù)，其中C1最高溫度約為98 ℃，低于器件許用溫度，冗余溫差為+7 ℃；C2最高溫度約為91 ℃，低于器件許用溫度，冗余溫差為+9 ℃；C3最高溫度約為98 ℃，高于器件許用溫度，冗余溫差為-3 ℃；C4最高溫度約為97 ℃，高于器件許用溫度，冗余溫差為-2 ℃。因此該設(shè)計(jì)方案不能滿足熱設(shè)計(jì)要求，需要對(duì)其進(jìn)行熱優(yōu)化設(shè)計(jì)。

表2 器件溫度分布

注：冗余溫差=許用溫度-最高溫度。

3 模塊熱優(yōu)化設(shè)計(jì)

在不增加額外冷卻設(shè)備及不增大模塊外形尺寸的條件下，在導(dǎo)熱蓋板的輻射和對(duì)流表面加工出散熱翅片(圖6)，以此增大對(duì)流換熱面積，提高散熱效率。散熱翅片的尺寸及其分布會(huì)影響散熱效果，減小翅片厚度可以增大換熱面積，從而增強(qiáng)散熱效果，但受機(jī)械加工工藝的限制，翅片厚度不能小于0.8 mm，否則加工工藝復(fù)雜，且成本較高[5]。翅片間距對(duì)散熱器散熱效率也有影響，翅片間距較小會(huì)增加風(fēng)阻，導(dǎo)致散熱效率降低；翅片間距過大，換熱面積不足，導(dǎo)致散熱器的散熱能力不強(qiáng)。增加翅片高度可以增加換熱面積，但該模塊為標(biāo)準(zhǔn)模塊，其高度方向的最大尺寸固定。因此這里對(duì)翅片厚度W及翅片間距D進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，分析不同翅片厚度和翅片間距情況下模塊的溫度分布，得到滿足熱設(shè)計(jì)要求及加工要求的模塊結(jié)構(gòu)。

圖6 散熱翅片示意圖

該模塊工作狀態(tài)下，空氣沿著模塊寬度方向流通，因此翅片方向也選擇為模塊寬度方向。綜合考慮加工成本和散熱能力，分析了不同翅片厚度(1, 2, 3, 4, 6 mm)和翅片間距(1, 2, 3, 4, 6 mm)條件下，4個(gè)發(fā)熱器件的最高溫度，結(jié)果如圖7所示。

圖7 器件最高溫度隨翅片厚度和翅片間距變化曲線

由圖7可以看出，當(dāng)翅片厚度一定時(shí)，隨著翅片間距增大，器件的最高溫度升高，當(dāng)翅片間距≤4 mm時(shí)，器件最高溫度隨翅片間距變化明顯，溫度曲線斜率大；當(dāng)翅片間距≥4 mm時(shí)，器件最高溫度隨翅片間距變化平緩，溫度曲線斜率小。對(duì)比不同翅片厚度情況可以看出，隨著翅片厚度增大，器件的最高溫度升高；當(dāng)翅片厚度≤4mm時(shí)，溫度曲線斜率較大；當(dāng)翅片厚度>4 mm，溫度曲線斜率較小。

基于以上分析，在滿足溫度要求的前提下，考慮加工復(fù)雜度，確定優(yōu)化后的翅片厚度為2mm，翅片間距為2 mm，優(yōu)化后模塊的外形及其溫度分布如圖8和圖9所示。

圖8 優(yōu)化后模塊外形

圖9 優(yōu)化后模塊溫度分布

由圖9可以看出，器件的最高溫度降低約6.5 ℃，整個(gè)模塊的工作溫度被控制在了許用溫度范圍內(nèi)。

4 結(jié)束語

本文針對(duì)某伺服控制模塊進(jìn)行熱分析，結(jié)果表明部分器件的最高溫度超過許用溫度，繼而對(duì)模塊的散熱蓋板進(jìn)行熱優(yōu)化設(shè)計(jì)。在不增加額外冷卻設(shè)備及不增大模塊外形尺寸的前提下，在模塊的蓋板上加工散熱翅片，增強(qiáng)散熱效果。對(duì)不同翅片厚度及翅片間距進(jìn)行仿真分析，得到溫度隨翅片厚度及翅片間距變化的規(guī)律，綜合考慮加工復(fù)雜度，最終得到既滿足溫度要求又滿足加工要求的導(dǎo)熱蓋板結(jié)構(gòu)。

[1] 顧林衛(wèi). 熱控制技術(shù)的新進(jìn)展[J]. 艦船電子對(duì)抗, 2007, 30(4): 108-110.

[2] 呂永超, 楊雙根. 電子設(shè)備熱分析、熱設(shè)計(jì)及熱測試技術(shù)綜述及最新進(jìn)展[J]. 電子機(jī)械工程, 2007, 23(1): 5-10.

[3] 顧子天. 計(jì)算機(jī)可靠性理論與實(shí)踐[M]. 成都: 電子科技大學(xué)出版社, 1994.

[4] 楊世銘, 陶文銓. 傳熱學(xué)[M]. 北京: 高等教育出版社, 1998.

[5] 任恒, 劉萬鈞, 黃靖, 等. 基于Icepak的密閉機(jī)箱熱設(shè)計(jì)研究[J]. 電子科學(xué)技術(shù), 2015, 2(6): 639-644.

余濤(1989-)，男，助理工程師，主要從事雷達(dá)電子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。

Thermal Analysis and Optimization of a Servo Control Module

YU Tao，ZHOU Chen-long，MA Yan

(The20thResearchInstituteofCETC,Xi′an710068,China)

With the increasing of integration degree and power of chips, problems concerning the thermal design of modular electronic equipment become more and more serious. In this paper, thermal design is conducted for a servo control module using Icepak. Based on thermal analysis theory, cooling fins are machined on the module, and then the influence of different fin thickness and fin spacing on temperature distribution is analyzed. Finally, the thermal design which meets the temperature requirements and machining requirements is obtained. Results show that cooling fins can effectively reduce overall temperature of the module without needing additional cooling device and increasing module size. The analysis method in this paper could provide a reference for the thermal design of modular electronic equipment.

thermal analysis; optimization; Icepak; fin thickness; fin spacing

2016-12-30

TK124

A

1008-5300(2017)02-0041-04