通訊設(shè)備表面溫度的主觀(guān)感受研究

李　帥，黃禎光，朱永明

(中興通訊股份有限公司，　廣東 深圳 518055)

引　言

目前終端通訊產(chǎn)品(以下簡(jiǎn)稱(chēng)終端)的體積熱流密度達(dá)到12 W/L以上，其中CPU的熱耗超過(guò)了整機(jī)熱耗的50%；同時(shí)由于終端客戶(hù)的隨意性高，致使終端的散熱環(huán)境復(fù)雜多樣，導(dǎo)致熱設(shè)計(jì)已經(jīng)成為主要的設(shè)計(jì)難題之一[1]。為提高終端的熱可靠性，降低芯片結(jié)溫，眾多學(xué)者從散熱材料、散熱結(jié)構(gòu)、熱源布局等多角度對(duì)終端進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，基本滿(mǎn)足了終端內(nèi)部各器件的長(zhǎng)期溫度規(guī)格[2-5]。然而，消費(fèi)者日益增長(zhǎng)的對(duì)主觀(guān)感受的要求，以及日益激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，為終端的熱設(shè)計(jì)提出了新的要求：提高終端的溫度手感。

但是目前通訊產(chǎn)品的熱設(shè)計(jì)，絕大部分以降低內(nèi)部芯片結(jié)溫為最終目標(biāo)，忽略了用戶(hù)感受。極少數(shù)的關(guān)于溫度手感的研究，均為工程師基于產(chǎn)品開(kāi)發(fā)進(jìn)行的工程試驗(yàn)，缺乏系統(tǒng)性的模擬、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐。因此本文以10位受試者的主觀(guān)感受為依據(jù)，系統(tǒng)地研究了殼體材料、殼體結(jié)構(gòu)以及內(nèi)部布局對(duì)終端外殼的手感指數(shù)的影響，可為后續(xù)的終端產(chǎn)品熱設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

1　通訊終端散熱路徑

常見(jiàn)的通訊終端產(chǎn)品包括終端路由器、電視盒子、會(huì)議終端等直接面向消費(fèi)者的產(chǎn)品，通常采用自然冷卻的方式來(lái)散熱，綜合考慮到工業(yè)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等，其終端產(chǎn)品較多采用橫臥式設(shè)計(jì)。因此本文選取典型的橫臥式某型號(hào)終端作為研究對(duì)象。該終端三維尺寸最大為160 mm × 115 mm × 40 mm，整機(jī)最大熱耗為10.2 W，其中CPU熱耗為5.0 W。

終端的典型散熱路徑如圖1所示。芯片熱量向上傳遞至散熱器，散熱器與終端外殼之間通過(guò)熱對(duì)流和熱輻射的方式進(jìn)行換熱；芯片熱量向下傳遞至PCB，PCB與外殼之間通過(guò)熱對(duì)流和熱輻射的方式進(jìn)行換熱。最終，殼體通過(guò)熱對(duì)流和輻射的方式將熱量傳遞至環(huán)境空氣中。

圖1　終端典型散熱路徑

2　手感指數(shù)影響因素研究

2.1　殼體材料對(duì)手感指數(shù)的影響

為該終端共打樣了3種材料的上表面殼體，分別為熱鍍鋅耐指紋板(國(guó)標(biāo)牌號(hào)DX51D+Z，以下簡(jiǎn)稱(chēng)鍍鋅板)、玻璃以及ABS塑料(以下簡(jiǎn)稱(chēng)ABS)，厚度均為1.2 mm。3種材料的熱物性參數(shù)如表1所示。

表1　材料熱物性表

測(cè)試過(guò)程與數(shù)據(jù)：

(1)測(cè)試環(huán)境

實(shí)測(cè)環(huán)境溫度為25.8 ℃，實(shí)測(cè)10位受試者手指溫度平均為30.3 ℃。

(2)測(cè)試最高溫確定

工程經(jīng)驗(yàn)表明，在同樣溫度下，鍍鋅板的手感指數(shù)要差于玻璃板，差于ABS，因此將鍍鋅板溫度加熱至50 ℃，同時(shí)將玻璃從50 ℃逐漸升溫，升至55 ℃時(shí)，受眾主觀(guān)感受兩者溫度基本相同；同樣的，將ABS從55 ℃逐漸升溫，升至65 ℃時(shí)，受眾主觀(guān)感受兩者溫度基本相同。

(3)手感指數(shù)評(píng)分

將50 ℃的鍍鋅板的燙感描述設(shè)定為6，將30 ℃的鍍鋅板燙感描述定為0(此時(shí)基本無(wú)熱量交換，即無(wú)燙感)。以5 ℃為梯度設(shè)定6片鍍鋅板材料的溫度，請(qǐng)受試者為這6片樣品的燙感評(píng)分。

將玻璃以5 ℃的梯度設(shè)定8片，請(qǐng)受試者為這8片樣品的燙感評(píng)分。

將ABS以5 ℃的梯度設(shè)定9片，請(qǐng)受試者為這9片樣品的燙感評(píng)分。

規(guī)定手感指數(shù)=6-燙感程度，求取10位受試者的平均值后得到的3種殼體的手感指數(shù)如表2所示。感受最差的手感指數(shù)為0。

表2　3種殼體的手感指數(shù)

從表2中分析可知：相同溫度下，3種材料殼體的手感指數(shù)：ABS>玻璃>鍍鋅板；在相同的手感指數(shù)下，不同材料的殼體溫度不同。例如當(dāng)手感指數(shù)=2時(shí)，3種材料的表面溫度分別為45 ℃，55 ℃，62 ℃。

為了進(jìn)一步量化上述主觀(guān)測(cè)試結(jié)果，我們使用熱流計(jì)測(cè)量了在不同溫度時(shí)，3種材料與手指之間的熱流密度，測(cè)試過(guò)程如下：

(1)將鍍鋅板加熱至45 ℃，將受試者的手指壓在熱流計(jì)探頭上，同時(shí)將探頭壓在鍍鋅板上，維持約4 s，記錄熱流密度的變化。為保證每位受試者手指界面壓力均勻，我們采用手托殼體的方式進(jìn)行測(cè)量；

(2)鍍鋅板的溫度加熱至50 ℃、55 ℃，重復(fù)第(1)步；

(3)將鍍鋅板換為玻璃、ABS，重復(fù)第(1)、(2)步。

測(cè)試儀器為HFM-4熱流計(jì)，圖2為熱流計(jì)探頭，探頭厚度0.4 mm，標(biāo)稱(chēng)熱阻為1.5×10-4K/W。

圖2　HFM-4熱流計(jì)探頭

圖3為3種材料的熱流密度，橫軸為記錄時(shí)間點(diǎn)，縱軸為熱流密度。

圖3　3種材料的熱流密度

從圖中分析可知：指壓殼體材料時(shí)，熱流密度隨時(shí)間逐漸減小；45 ℃的鍍鋅板曲線(xiàn)與55 ℃的ABS曲線(xiàn)比較接近，證明在接觸到材料的初期，45 ℃的鍍鋅板與55 ℃的ABS的手感較近；同樣的，50 ℃鍍鋅板與55 ℃玻璃的曲線(xiàn)較為接近，證明在接觸到材料的初期，50 ℃鍍鋅板與55 ℃玻璃的手感較近。

由于熱流計(jì)探頭有一定的熱阻和熱容，所以會(huì)對(duì)接觸初期的真實(shí)熱流有一定影響，使得3種材料的熱流趨于相同，所以圖3的熱流密度與表1的手感指數(shù)的趨勢(shì)存在客觀(guān)的誤差。

因此，在滿(mǎn)足內(nèi)部器件熱可靠性的基礎(chǔ)上，從手感指數(shù)的角度出發(fā)，材料選取的優(yōu)先級(jí)為：ABS>玻璃>鍍鋅板。在同樣的手感指數(shù)下，ABS與鍍鋅板之間最大可能有15 ℃的溫差，因此需要對(duì)此進(jìn)行慎重考慮。

2.2　殼體結(jié)構(gòu)對(duì)手感指數(shù)的影響

為了研究不同殼體結(jié)構(gòu)對(duì)手感指數(shù)的影響，我們針對(duì)上述終端的同一種材料(ABS)打樣了3個(gè)外殼(4種表面結(jié)構(gòu))來(lái)進(jìn)行分析。

其中A為開(kāi)通孔結(jié)構(gòu)，表面設(shè)有凹凸結(jié)構(gòu)；B為盲孔設(shè)計(jì)，表面設(shè)有凹凸結(jié)構(gòu)；C為平面開(kāi)孔；D為平面結(jié)構(gòu)。

在25 ℃的環(huán)境下，將3個(gè)終端同時(shí)放在木質(zhì)桌面上，10名受試人員分別為4個(gè)區(qū)域手感進(jìn)行排序，并分別得到0、1、2、3分的手感指數(shù)分值(因主觀(guān)感受復(fù)雜，所以該處未與章節(jié)2.1中的手感指數(shù)做統(tǒng)一化處理，故不能直接對(duì)比兩章節(jié)中的手感指數(shù))，得到的結(jié)果如表3。

表3　4種殼體結(jié)構(gòu)的手感指數(shù)

由表3可知：在相同的測(cè)試條件下，結(jié)構(gòu)A的表面平均溫度最高，其次為C、D、B；在測(cè)試溫度下，綜合表面溫度與表面結(jié)構(gòu)的作用，各表面的手感指數(shù)為：A>B>C>D。

所以在滿(mǎn)足內(nèi)部器件熱可靠性要求的前提下，殼體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)先級(jí)為：凹凸通孔>凹凸盲孔>平面通孔>平面無(wú)孔。

2.3　內(nèi)部布局對(duì)手感指數(shù)的影響

另一方面，可以通過(guò)內(nèi)部電子器件的布局、內(nèi)部的結(jié)構(gòu)來(lái)降低殼體的局部溫度，從而提高殼體的整體手感指數(shù)。

2.3.1單板倒扣安裝

利用仿真的手段，對(duì)內(nèi)部PCB板的正反裝進(jìn)行了分析。分析軟件為電子器件熱設(shè)計(jì)的商業(yè)軟件Flotherm，仿真參數(shù)列于表4中。圖4為正裝和倒裝的熱仿真模型，圖中g(shù)表示重力參與計(jì)算并表征了重力方向。

表4　熱仿真參數(shù)

圖4　熱仿真模型

由仿真結(jié)果可知，將PCB倒扣之后，上表面最高溫度由原來(lái)的59.7 ℃降至51.7 ℃，降低8 ℃。結(jié)合表2進(jìn)行插值計(jì)算，手感指數(shù)提高了0.9。

2.3.2殼體均溫板

殼體出現(xiàn)局部熱點(diǎn)會(huì)導(dǎo)致整機(jī)手感迅速下降，因此將整機(jī)外殼進(jìn)行均溫也是提高手感指數(shù)的有效途徑。以ABS終端外殼為例，進(jìn)行上殼均溫試驗(yàn)。圖5(a)為終端內(nèi)部照片，圖5(b)為上殼體貼附鋁板。其中鋁板厚度為0.5 mm，面積為散熱器面積的2.5倍，鋁板與外殼間隙為1～2 mm。

圖5　終端內(nèi)部以及殼體的均溫鋁板

先后對(duì)有無(wú)均熱板的終端進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，使用紅外熱像儀對(duì)外殼進(jìn)行測(cè)溫，最終結(jié)果表明，在保持其他條件一致的情況下，在上殼體上貼附鋁均溫板，可以將上殼的最高溫度由70.3 ℃降為62.0 ℃。結(jié)合表2進(jìn)行插值計(jì)算，手感指數(shù)提高了2.4。

3　結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)通訊終端殼體的溫度手感進(jìn)行了系統(tǒng)研究，量化了殼體材料、殼體結(jié)構(gòu)以及內(nèi)部布局對(duì)殼體手感指數(shù)的影響。相同溫度下，不同材料的手感指數(shù)排序?yàn)椋篈BS>玻璃>鍍鋅板；不同結(jié)構(gòu)的排序?yàn)椋喊纪雇?凹凸盲孔>平面通孔>平面無(wú)孔。同時(shí)通過(guò)優(yōu)化內(nèi)部布局以及對(duì)殼體進(jìn)行均溫等措施，也可以提高手感指數(shù)。并提出了提高手感指數(shù)的改進(jìn)措施，對(duì)終端設(shè)備的熱設(shè)計(jì)工作具有借鑒意義。

本研究課題中的手感指數(shù)為研究團(tuán)隊(duì)首創(chuàng)，但是鑒于不同研究體系的主觀(guān)感受難以橫向比較，所以未將不同研究章節(jié)的手感指數(shù)進(jìn)行歸一化處理。建議后續(xù)的研究將上述不同體系的研究?jī)?nèi)容進(jìn)行更加系統(tǒng)的研究，歸一化處理之后對(duì)實(shí)際產(chǎn)品設(shè)計(jì)更具參考意義。

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