基于正交設(shè)計的密封機箱散熱翅片的參數(shù)仿真優(yōu)化

陳俊桃，蘇關(guān)云，楊 虎，廖 銳

(成都西科微波通訊有限公司，四川 成都 610031)

0 引 言

隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展，電子設(shè)備產(chǎn)品的集成度越來越高，隨之而來的電子器件在單位體積內(nèi)的發(fā)熱量大增。對于電子設(shè)備密封機箱來說，因不能依靠外裝風(fēng)機進行強迫風(fēng)冷，僅能依靠自然對流及熱輻射進行散熱，因此密封機箱對散熱設(shè)計的要求更高。對于外形尺寸確定的機箱，需要確定散熱翅片的各參數(shù)的最佳值，筆者擬采用正交設(shè)計方法，利用ICEPAK軟件仿真分析各個參數(shù)值下的芯片溫度值，通過極差分析散熱翅片各個參數(shù)對功放芯片溫度的影響規(guī)律，為后續(xù)類似密封機箱散熱翅片的的設(shè)計提供參考。

1 某型密封機箱設(shè)計要求

某型密封機箱外形如圖1所示，外形尺寸為310 mm×307.5 mm×70 mm，底部設(shè)計有散熱翅片，內(nèi)部安裝有功放板、工控板、DC/DC電源等，其中功放板對散熱的需求最大。該功放板含有4個功放芯片，每個功放芯片功耗6W，因此功放板的散熱設(shè)計是該密封機箱設(shè)備能否正常工作的關(guān)鍵。

圖1 某密封機箱外形示意 圖2 散熱翅片截面示意圖

圖2為該密封機箱散熱翅片的外形示意，其包含四個參數(shù)，翅片厚度A，基板厚度B，翅片間距C，翅片高度D。根據(jù)傳熱學(xué)[1-2]，密封機箱自然散熱時，散熱量決定于機箱表面積，而四個參數(shù)的數(shù)值直接關(guān)系到機箱表面積，進而影響內(nèi)部器件的散熱。因此，對于該型外形尺寸確定的機箱，為確定散熱翅片的各參數(shù)的最佳值，筆者采用正交試驗設(shè)計方法，利用ICEPAK軟件仿真分析，通過極差分析得出散熱翅片各個參數(shù)對功放芯片溫度的影響規(guī)律，從而確定該型密封機箱散熱翅片的最佳參數(shù)值。

2 正交試驗設(shè)計

采取四因素三水平正交表L9(34)見表1。以功放芯片溫度為考核指標(biāo)，建立正交試驗設(shè)計表2。

表1 正交試驗因素水平表 /mm

表2 正交試驗設(shè)計表 /mm

3 熱仿真分析

采用ICEPAK熱仿真分析軟件[3]，在保證仿真模型不失真的前提下，對仿真模型進行了部分簡化，機箱內(nèi)部僅保留功放芯片，去除結(jié)構(gòu)件安裝孔及其他散熱要求不高的模塊。為保證功放芯片可靠散熱，設(shè)計時在功放芯片下面墊一塊銅板，銅板再與散熱翅片接觸，最終建立熱仿真分析模型如圖3所示。功放芯片與銅板、銅板與散熱翅片之間的接觸熱阻設(shè)置為0.000 1 ℃·m2/W，環(huán)境溫度設(shè)置為55℃，外界環(huán)境設(shè)置為純自然對流環(huán)境。

圖3 熱仿真分析模型(隱藏上面板)

依據(jù)正交試驗設(shè)計表，共有9個仿真試驗組，各組仿真結(jié)果溫度分布云圖見圖4所示，各組芯片最高溫度見表3所示。

表3 ICEPAK仿真分析功放芯片溫度表

圖4 各仿真試驗組結(jié)果溫度分布云圖

4 結(jié)果極差分析與討論

4.1 結(jié)果極差分析

根據(jù)表4極差分析可知，散熱翅片各參數(shù)對功放芯片溫度的影響主次順序為：D(翅片高度)>B(基板厚度)>C(翅片間距)>A(翅片厚度)，翅片高度和基板厚度對芯片溫度的影響最大，翅片間距和翅片厚度的影響次之。為使芯片溫度最低，散熱翅片的最佳參數(shù)為A1B3C2D3。這一方案是否為最佳方案，需要進一步仿真驗證。

表4 極差分析表

4.2 討 論

根據(jù)極差分析表可得散熱翅片各參數(shù)對功放芯片的影響曲線見圖5所示。從圖5可以看出，在正交設(shè)計表所取的數(shù)值范圍內(nèi)，芯片的溫度隨著基板厚度與翅片高度的增加而逐漸降低；隨著翅片厚度的增加呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢；隨著翅片間距的增加呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢。

圖5 散熱片各參數(shù)對芯片溫度的影響

對于散熱片的翅片高度和基板厚度，其尺寸的增加對于散熱片散熱性能的提高大有好處，但基板厚度增加太大，會影響整體設(shè)備的重量，因此，在設(shè)計散熱片時，為提高散熱片散熱性能，優(yōu)選增加散熱片的翅片高度。

對于翅片間距和翅片厚度，其尺寸對散熱片散熱性能的影響最不顯著，因此，在可能的情況盡可能增加翅片的厚度和翅片的間距，這樣可以減小機械加工的難度，而對散熱片最終的散熱性能影響不是很大。

4.3 驗證試驗

通過極差分析，初步確認(rèn)對于該密封機箱的最佳散熱片參數(shù)見表5所示。

表5 最佳散熱片參數(shù)值

基于該散熱翅片的參數(shù)，利用ICEPAK熱仿真分析軟件繼續(xù)對該密封機箱進行仿真分析，其溫度分布云圖見圖6所示。

圖6 溫度分布云圖

芯片最高溫度為80.9 ℃。該溫度值FZ3僅相差0.4 ℃，考慮最后散熱翅片的加工工藝，且由于翅片間距對散熱翅片的最終散熱性能影響不顯著，對于該密封機箱的散熱翅片的最佳散熱參數(shù)取值為：翅片厚度1.5 mm，基板厚度4 mm，翅片間距10 mm，翅片高度35 mm。

5 結(jié) 論

基于正交試驗設(shè)計，利用ICEPAK熱仿真分析軟件，模擬分析密封機箱在純自然對流的情況，散熱翅片各參數(shù)對機箱內(nèi)部散熱器件或模塊的溫度影響規(guī)律，得出以下結(jié)論：

(1) 翅片高度對散熱翅片的散熱性能影響最顯著，當(dāng)需要提高散熱片的散熱性能時，可優(yōu)選考慮適當(dāng)增加翅片的高度。

(2) 翅片厚度與翅片間距對散熱翅片的散熱性能影響不顯著，在滿足加工工藝要求的情況下，可適當(dāng)減小翅片厚度，增大翅片間距，這樣既可滿足密封機箱對散熱性能的要求，又可減輕整個設(shè)備的重量。

文中通過正交試驗設(shè)計的方法對密封機箱進行熱仿真研究，為密封機箱的散熱翅片設(shè)計提供了參考依據(jù)，同時也對其他類似機箱的散熱設(shè)計具有借鑒意義。