便攜式密閉終端設(shè)備的散熱設(shè)計(jì)及仿真分析

彭 偉，王虎軍，陸景松，王志海

( 中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088 )

便攜式密閉終端設(shè)備的散熱設(shè)計(jì)及仿真分析

彭 偉，王虎軍，陸景松，王志海

( 中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088 )

為了有效解決便攜式終端設(shè)備在密閉結(jié)構(gòu)形態(tài)下的散熱問題，通過針對T/R組件芯片底部預(yù)埋鉬銅載體、FPGA和DSP局部熱點(diǎn)生長導(dǎo)熱凸臺(tái)等一系列方法打通了設(shè)備散熱路徑，優(yōu)化了設(shè)備內(nèi)部環(huán)境熱場，并借助工程熱仿真平臺(tái)分析驗(yàn)證了設(shè)備散熱設(shè)計(jì)的有效性，為今后類同便攜式密閉設(shè)備的熱設(shè)計(jì)提供了參考。

便攜式；密閉設(shè)備；芯片溫度；局部熱點(diǎn)

終端設(shè)備一般是由多種不同的接口控制和輸入輸出的電子器件組合而成，這些電子器件的可靠性直接關(guān)系到整個(gè)設(shè)備的性能，而熱性能又是其中一項(xiàng)重要的可靠性指標(biāo)[1-2]。當(dāng)前隨著系統(tǒng)集成度和器件熱損耗的逐步提高，單位空間熱流密度的不斷增大，加之各項(xiàng)環(huán)境適應(yīng)性要求進(jìn)一步強(qiáng)化，從而加速惡化了設(shè)備的熱性能狀態(tài)，同時(shí)也給熱設(shè)計(jì)帶來了更大的難度[3-5]。文中所研究的便攜式密閉終端設(shè)備即是此類問題的一個(gè)典范，此設(shè)備要求實(shí)現(xiàn)輕量型的一體化設(shè)計(jì)，且整體結(jié)構(gòu)密閉，具備防潮濕、風(fēng)沙、鹽霧等一系列高環(huán)境適應(yīng)性，如此導(dǎo)致內(nèi)部有效單位面積的熱流密度顯著升高[6]。由于上述因素的制約，根本不可能考慮以往工程上常用的風(fēng)冷和液冷設(shè)計(jì)思路，惟有依賴單純熱傳導(dǎo)以及局部熱點(diǎn)擴(kuò)展等方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，本文通過該設(shè)備的散熱設(shè)計(jì)及計(jì)算分析，給出了詳實(shí)的熱設(shè)計(jì)要素和仿真驗(yàn)證，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了可靠真切的技術(shù)支撐，進(jìn)而保障設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)也為今后類同設(shè)備的散熱問題提供了有效參考。

1 基本描述

終端設(shè)備主要由信號(hào)處理集成單元、T/R組件、接收機(jī)模塊、低壓電源模塊等功能部件及其相關(guān)結(jié)構(gòu)組成，如圖1所示。信號(hào)處理集成單元上的主要發(fā)熱器件為FPGA和DSP，其中FPGA的熱耗為6.8W，DSP的熱耗為5.3W；T/R組件的熱耗為0.5W/件，共6件；接收機(jī)模塊中的發(fā)熱單元為差波束形成網(wǎng)絡(luò)、頻率合成器、上變頻通道和模擬接收機(jī)等，其中差波束形成網(wǎng)絡(luò)的熱耗為5.1W，頻率合成器為4.7W，上變頻通道為6.2W，模擬接收機(jī)為5.5W；低壓電源模塊熱耗為近10W。上述器件中局部熱點(diǎn)主要集中在FPGA、DSP及T/R組件上，因此散熱設(shè)計(jì)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注。

圖1 終端設(shè)備組成示意圖

2 熱設(shè)計(jì)

源于上述總體要求此設(shè)備整體結(jié)構(gòu)處于防護(hù)密閉態(tài)，且能便攜式運(yùn)輸，因此設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)盡量縮減結(jié)構(gòu)件的體積和厚度，同時(shí)采用質(zhì)地輕巧的合金制作，而且針對于各接口界面添加一系列的密封橡膠和油漆，于此這些工作是利于“密閉，便攜”特性的，但恰巧又與設(shè)備的散熱設(shè)計(jì)思路是相悖的，降低了設(shè)備的散熱熱沉，阻礙了各器件的散熱通道(路徑)。本文終端設(shè)備的散熱設(shè)計(jì)在兼顧以上結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的同時(shí)，綜合優(yōu)化設(shè)備內(nèi)部散熱路徑，使得器件熱量能夠高效率地傳遞到設(shè)備外環(huán)境空間，從而滿足各類器件的耐受溫度。具體如：信號(hào)處理集成單元上的FPGA和DSP熱點(diǎn)集中且頂面較為平整，熱量通過導(dǎo)熱襯墊傳遞到設(shè)備外殼導(dǎo)熱凸臺(tái)，再從凸臺(tái)散發(fā)到外殼對外生長的散熱翅片上；T/R組件內(nèi)部的芯片熱量直接通過鉬銅載體貼到組件殼體底部，再通過殼體將熱量傳遞給前面板的對外散熱區(qū)域；接收機(jī)模塊上的差波束形成網(wǎng)絡(luò)、頻率合成器、上變頻通道和模擬接收機(jī)均依賴兩側(cè)壁梁傳遞熱量給設(shè)備殼體，同樣需要添加導(dǎo)熱襯墊和導(dǎo)熱硅脂；低壓電源模塊熱量較小，自身熱沉足以匹配耐受溫度(增加了熱沉，打通路徑)。

3 熱仿真分析

為了探究此終端設(shè)備工作時(shí)的熱傳遞狀態(tài)，利用工程熱分析軟件FLOTHERM對終端設(shè)備建立數(shù)值模型，根據(jù)真實(shí)的環(huán)境條件(如表1)設(shè)置計(jì)算工況，在保證仿真結(jié)果不失真的前提下，優(yōu)化結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)建模。如圖2所示，數(shù)值模型忽略了一些孔、倒角、插件、線纜等特征；暫不考慮外界輻射干擾如太陽輻射、電磁輻射等熱影響；鑒于此設(shè)備與其他設(shè)備的結(jié)構(gòu)連接關(guān)系，其周圍熱性能互無影響，因此仿真分析中忽略其他器件對該設(shè)備器件的影響；其他器件如對本次熱仿真分析不起直接熱性能干涉，建模時(shí)忽略其結(jié)構(gòu)；分析中按各元器件單獨(dú)施加熱耗，其余熱耗均勻施加到安裝基板上，模塊厚度不一略有差別時(shí)，建?？山y(tǒng)一為較薄的厚度。

表1 外部環(huán)境條件

環(huán)境溫度約43℃海拔高度約4180米相對濕度約95%±3%(43℃時(shí))環(huán)境壓強(qiáng)約067個(gè)大氣壓自然風(fēng)速約052m/s太陽輻射強(qiáng)度約0327(1±6%)kW/m2

圖2 終端設(shè)備數(shù)值模型圖

3.1 計(jì)算結(jié)果Ⅰ

圖3和圖4分別為信號(hào)處理集成單元在熱設(shè)計(jì)前后的溫度云圖，從圖對比可看出，信號(hào)處理集成單元上的FPGA和DSP溫度都有了明顯的下降，且均在耐受溫度之內(nèi)(80℃，85℃)，其中FPGA殼體溫度從110℃下降到了82℃，DSP殼體溫度從108℃下降到了78℃，說明了此項(xiàng)散熱設(shè)計(jì)的有效性。

圖3 初始溫度云圖

圖4 熱設(shè)計(jì)溫度云圖

圖5 初始溫度云圖

圖6 熱設(shè)計(jì)溫度云圖

圖7 終端設(shè)備數(shù)值模型圖

3.2 計(jì)算結(jié)果Ⅱ

T/R組件上的芯片由于結(jié)構(gòu)尺寸相對較小，因此模型計(jì)算需要重點(diǎn)對此加密網(wǎng)格，其熱設(shè)計(jì)前后的溫度云圖如圖5和圖6。圖中可以明顯地看到，設(shè)計(jì)后的芯片局部熱擴(kuò)展性非常好，顯著拉低芯片的中心溫度，這說明此項(xiàng)散熱設(shè)計(jì)中在芯片底部加載的鉬銅載體起了很好的均熱作用，再加上組件殼體與前面板散熱區(qū)域的互聯(lián)，使得T/R組件的熱量迅速擴(kuò)散到了設(shè)備外環(huán)境。

3.3 計(jì)算結(jié)果Ⅲ

此部分主要是分析接收機(jī)模塊和低壓電源模塊的熱計(jì)算結(jié)果。接收機(jī)模塊中的差波束形成網(wǎng)絡(luò)、頻率合成器、上變頻通道和模擬接收機(jī)由于安裝方式較分散，散熱通道不太好完善，只能借助于設(shè)備殼體生長出的壁梁桁架為散熱路徑，其中為了輕量化設(shè)計(jì)已最大化地減少桁架熱沉，加上各接觸界面的熱阻，因此散熱效果不太明顯。但是好在這些器件內(nèi)部耐熱能力較強(qiáng)，最終還能夠滿足散熱可靠性，具體見圖7和圖8。此低壓電源模塊自身效率較高，產(chǎn)生的熱量小，可以利用電源殼體熱沉以及對外輻射消化，圖9為其仿真溫度云圖。

圖8 終端設(shè)備數(shù)值模型圖

圖9 終端設(shè)備數(shù)值模型圖

4 結(jié)論

本文針對某型便攜式密閉終端設(shè)備進(jìn)行了散熱設(shè)計(jì)及驗(yàn)證分析，從工程化的角度詳細(xì)剖析了設(shè)備的散熱通道，在原初始結(jié)構(gòu)形態(tài)上采取了有效熱措施，使信息處理集成單元上的FPGA殼體溫度從110℃下降到82℃，DSP殼體溫度從108℃下降到78℃；通過鉬銅載體延展芯片法蘭局部熱均勻性，顯著拉低其中心溫度；接收機(jī)模塊和低壓電源模塊充分借助桁架熱沉實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)，滿足設(shè)備散熱性能，為整體設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了可靠性的技術(shù)支撐。

[1] 李波，李科群，俞丹海.FloTHERM軟件在電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].電子機(jī)械工程,2008,(8)：11-13

[2] 王萌，徐曉婷.高密度密封電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].電子工藝技術(shù),2006,(6)：339-343

[3] ZHANG L M.Thermal design of the telemetry transmitter on Flotherm[J].Equipment Manufacturing Technology.2014,(1)：106-109

[4] 邱成悌，趙惇殳，蔣全興.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,2005

[5] 丁成斌，王克成，張文革,等.基于Flotherm的一種電源設(shè)備熱仿真分析[J].機(jī)電元件,2011,31(4)：28-31

[6] 李增辰，褚俐.某密閉電子設(shè)備的熱設(shè)計(jì)[J].電子機(jī)械工程,2009,25(4)：7-9

ThermalDesignandSimulationAnalysisforaPortableSealedTerminalEquipment

PENG Wei，WANG Hujun，LU Jingshong，WANG Zhihai

( No.38 Research Institute of CETC，Hefei，Anhui 230088 )

In order to solve the heat dissipation problem of portable terminal equipment in a confined structure，through to the bottom of the chip embedded T/R components FPGA and DSP molybdenum copper carrier，local hot growth heat boss and a series of methods to open up the equipment cooling path，optimize the internal environment of equipment thermal field，and with the analysis of engineering thermal simulation platform is proved to be effective the design of cooling equipment，which provides a reference for the thermal design of the future similar portable airtight equipment.

Portable；Closed equipment；Chip temperature；Local hot spots

2017-4-26

彭偉(1983-)，男，碩士，工程師。研究方向：電子設(shè)備熱控設(shè)計(jì)。E-mail：p8385w@163.com

ISSN1005-9180(2017)04-071-04

TN03；TK124文獻(xiàn)標(biāo)示碼A

10.3969/J.ISSN.1005-9180.2017.04.013