一種小型化光電主機(jī)模塊的熱設(shè)計(jì)研究

梁增柱，尹鈺田

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十四研究所，廣西 桂林 541004）

0 引言

隨著科技快速發(fā)展，靈活適應(yīng)不同空間環(huán)境需求，增加數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)量，據(jù)高數(shù)據(jù)傳輸可靠性都得到了充分滿足。用戶提出了業(yè)務(wù)單元由標(biāo)準(zhǔn)的19 英寸的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱要向小型化、模塊化發(fā)展，如VITA46 VPX 標(biāo)準(zhǔn)接口、ATR 接口等。在航空航天等領(lǐng)域，對(duì)電子設(shè)備的小型化、高密集集成化的需求尤為突出。相比較傳統(tǒng)的機(jī)型，搭載體積小、重量輕的設(shè)備的機(jī)型機(jī)動(dòng)性更強(qiáng)，續(xù)航時(shí)間也更長(zhǎng)，同時(shí)設(shè)備的小型化有極高的現(xiàn)場(chǎng)更換或維修效率，贏取寶貴的時(shí)間。此外，小型化業(yè)務(wù)單元需要有更強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性、更穩(wěn)定的可靠性等特征。

小型化業(yè)務(wù)單元在解決了上述問(wèn)題的同時(shí)，小型化業(yè)務(wù)單元的熱流密度急劇增加，業(yè)務(wù)單元的溫度隨之上升從而影響業(yè)務(wù)單元的可靠性[1]。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，多半的電子設(shè)備失效是由溫度超過(guò)規(guī)定的許用值而引起的，由此可見(jiàn)電子設(shè)備的熱設(shè)計(jì)尤為重要[2]。對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了很大的挑戰(zhàn)，散熱方面尤為突出，主要特點(diǎn)是：由于設(shè)備體積小，內(nèi)部布局緊湊，器件功耗大，空氣流動(dòng)性差，熱量在狹小的空間不易于快速擴(kuò)散，元器件在高溫狀態(tài)下長(zhǎng)期工作，極易衰老失效，嚴(yán)重影響產(chǎn)品的可靠性。

在進(jìn)行熱設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)模塊內(nèi)每個(gè)大功率器件的熱特性進(jìn)行仔細(xì)分析和研究，并進(jìn)行合理布局熱源器件，結(jié)合熱仿真分析，為高熱流密度的小型化光電主機(jī)模塊提供有效的熱設(shè)計(jì)方案。

1 模塊熱技術(shù)狀態(tài)

光電主機(jī)模塊采用VITA46 VPX 標(biāo)準(zhǔn)接口，通過(guò)鎖緊條固定在19 英寸插箱平臺(tái)內(nèi)，各模塊之間有散熱通道，間距為8 mm，散熱器蓋板的散熱齒之間提供風(fēng)速3 m/s 的強(qiáng)迫風(fēng)。本次熱設(shè)計(jì)的工作是確保模塊內(nèi)部的熱量傳導(dǎo)到散熱器蓋板后再向外擴(kuò)散，保證溫度不超過(guò)許用溫度，避免失效。經(jīng)估算，光電主機(jī)模塊滿載工況下最大熱耗約為30 W。模塊的本體尺寸為：233.4mm（長(zhǎng)）× 160mm（寬）× 45mm（高），主板的外形尺寸為：216.6mm（長(zhǎng)）× 139.4mm（寬），子板的外形尺寸為：138mm（長(zhǎng)）× 60mm（寬），整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 光電主機(jī)模塊整體結(jié)構(gòu)

2 熱耗分布

模塊主要的大功率發(fā)熱器件分布在光電主機(jī)模塊1 塊主板和2 塊子板上，且大功率發(fā)熱器件主要分布在在主板上：1 個(gè)FPGA，3 個(gè)電源芯、4 個(gè)封裝芯片，2 塊子板分別分布有8 個(gè)光模塊，具體熱耗功率值見(jiàn)表1。經(jīng)估算，光電主機(jī)模塊滿載工作時(shí)最大熱耗約為30 W，主要的大功率發(fā)熱器件熱耗分布如圖2 和圖3 所示，主要的功率元器件的幾何及熱參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 光電主機(jī)模塊的熱源分布及仿真結(jié)果

圖2 主板的熱耗分布

圖3 子板的熱耗分布

3 材料熱特性

模塊的盒體、蓋板散熱器材料均采用鋁合金5A06，熱特性參數(shù)：比熱容為921 J/（kg·℃），導(dǎo)熱率為117 W/（m·℃）

4 熱邊界條件

模塊的工作溫度范圍為-45 ℃～+70 ℃，存貯溫度范圍為-55 ℃～+70 ℃。各模塊之間有散熱通道，間距為8 mm，散熱器蓋板的散熱齒之間提供風(fēng)速3 m/s 的強(qiáng)迫風(fēng)。

5 熱設(shè)計(jì)

5.1 總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

模塊結(jié)構(gòu)為半鏤空盒體與上、下蓋板封閉的組合，盒體的中間帶有隔板，分為上下兩個(gè)腔體。結(jié)合器件的熱敏感度、功耗大小以及通用質(zhì)量特性要求，主板PCB 和子板PCB 采用分層方式分別安裝于半鏤空盒體的下層和上層。熱源器件采用分層的形式分布，不僅可以有效避免器件之間的熱干擾，也能縮短傳導(dǎo)路徑，實(shí)現(xiàn)了快速散熱的預(yù)期設(shè)想。

5.2 大功率元器件熱設(shè)計(jì)

熱耗較高、允許使的用溫度較底的光模塊布局在子板上。熱耗較低、許用溫度較高的FPGA、電源芯片、功率器件則布局在主板上。模塊先將大功率元器件傳導(dǎo)到機(jī)殼上，冷卻散熱，主板安裝在盒體下層，把發(fā)熱大的FPGA、電源芯片等發(fā)熱器件通過(guò)導(dǎo)熱墊與結(jié)構(gòu)盒體的隔板直接接觸，使模塊內(nèi)部產(chǎn)生的熱量通過(guò)導(dǎo)熱墊→盒體隔板→下蓋、上蓋散熱器，有部分熱量直接從盒體的側(cè)壁向插箱傳導(dǎo)散熱；子板安裝在盒體上層，光模塊與上蓋板散熱器通過(guò)導(dǎo)熱墊直接接觸，快速將熱量傳導(dǎo)到上蓋板。光電主機(jī)模塊的主板和子板的大功率器件散熱路徑如圖4 所示。

圖4 光電主機(jī)模塊功率器件散熱路徑

5.3 結(jié)構(gòu)熱設(shè)計(jì)

模塊安裝到插箱后，插箱給予各模塊之間有距離為8 mm 的散熱通道，通道內(nèi)為3 m/s 的強(qiáng)迫風(fēng)，讓模塊內(nèi)的熱量更快交換到空氣中。光電主機(jī)模塊的熱量主要是傳導(dǎo)到盒體側(cè)壁上、上蓋板、下蓋板；上蓋板設(shè)計(jì)為2.5 mm 高、3 mm 厚、齒間距4 mm 的散熱齒，下蓋板的外表面設(shè)計(jì)為光面。根據(jù)上述插箱提供的散熱條件，模塊的大部分熱量主要通過(guò)強(qiáng)迫風(fēng)由上、下蓋板對(duì)外散熱，剩余少量熱量通過(guò)盒體的側(cè)壁自然輻射散熱，因此該部分可忽略不計(jì)。

現(xiàn)通過(guò)校核計(jì)算上、下蓋板的最大散熱量來(lái)確定是否滿足模塊散熱要求。在3 m/s 的強(qiáng)迫風(fēng)下，上蓋板散熱器的最大散熱量應(yīng)大于子板的總熱量和50%的主板熱量（極端情況下最多50%的主板熱量傳導(dǎo)到下蓋板或盒體側(cè)壁），即：

下蓋板散熱器的最大散熱量應(yīng)大于主板的75%熱量（極端情況下只有25%的熱量傳導(dǎo)到上蓋板或盒體側(cè)壁），即：

強(qiáng)迫風(fēng)冷風(fēng)道內(nèi)對(duì)流換熱系數(shù)的計(jì)算式為：

式中，hc為換熱系數(shù)[W/（m2·℃）]，J為考爾本數(shù)，G為通道單位面積的質(zhì)量流量[kg/（m2·s）]，Cp為定壓比熱容[J/（kg·℃）]，Pr為普朗特?cái)?shù)。

假設(shè)模塊內(nèi)部溫度為80 ℃，環(huán)境溫度為70 ℃，定性溫度：

則查表得空氣的物性參數(shù)分別為：ρ=1.000 kg/m3，Cp=1009 J（/kg·℃），λ= 0.0299 W（/m·℃），0.708，ν= 19.4 ×10-6m2/s。

通道的單位面積質(zhì)量流量為：

根據(jù)通道內(nèi)為3 m/s 的強(qiáng)迫風(fēng)，則雷諾數(shù)為：

式中，de為特征長(zhǎng)度，兩模塊散熱通道為215.9 mm ×8 mm 矩形截面，

因?yàn)樯仙w板是肋片式散熱器，400 ＜Re＜1500，則：考爾本數(shù)J= 0.72/Re0.7= 0.72/1193.80.7= 0.0051；換熱系數(shù)hc=JG[-2/3]= 0.0051 × 3 × 1009 × 0.708[-2/3]=19.44；散熱器效率由表查得η= 0.69。

上蓋板的最大散熱量為：

式中，F(xiàn)為對(duì)流面積，即上蓋板外形表面積，F(xiàn)1= 48 ×10-3m2，Δt為散熱器臺(tái)面允許溫升，按最大Δt= 40 ℃考慮。

計(jì)算出的上蓋板最大散熱量Q1＞23 W，表明上蓋板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足散熱需求。

因?yàn)橄律w板是光面散熱器，400 ＜Re＜1500，兩模塊散熱通道為215.9 mm×8 mm 矩形截面，則：考爾本數(shù)J= 6/Re0.98= 6/1193.80.98= 0.0058；換熱系數(shù)hc=JGCp Pr[-2/3]= 0.0058 × 3 × 1009 × 0.708[-2/3]= 22.07；散熱器效率由表查得η= 0.69。

下蓋板的最大散熱量為：

式中，F(xiàn)為對(duì)流面積，即下蓋板外表面積即F2= 31.4 ×10-3m2；Δt為散熱器臺(tái)面允許溫升，按最大Δt= 40 ℃考慮。

計(jì)算出的下蓋板最大散熱量Q2＞10.5 W，表明下蓋板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足散熱需求。

上述理論估算結(jié)果表明，模塊結(jié)構(gòu)熱設(shè)計(jì)合理。

6 熱仿真分析

為考核電子設(shè)備在實(shí)際應(yīng)用的空間環(huán)境溫度下，其內(nèi)部電子元器件溫度能否滿足元器件結(jié)溫I 級(jí)降額指標(biāo)要求，需要對(duì)其進(jìn)行熱仿真分析[3-4]。文中使用CAXA 軟件建立模塊的三維模型，運(yùn)用ICEPAK 熱仿真分析軟件建立模塊的熱模型。

6.1 熱建模

考慮仿真計(jì)算效率及模型準(zhǔn)確度等因素，對(duì)光通信設(shè)備結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行了一定程度上的簡(jiǎn)化處理：去掉尺寸較小的孔、凸臺(tái)、圓角；去掉不必要的倒角；將螺釘連接簡(jiǎn)化為有限元模型中結(jié)點(diǎn)之間的自由度耦合等[5]在結(jié)構(gòu)上與分析目標(biāo)關(guān)系不大的特征。使用CAXA 軟件建立三維模型并進(jìn)行簡(jiǎn)化后，導(dǎo)入ICEPAK 模塊中，劃分網(wǎng)格如5 所示。

圖5 光電主機(jī)模塊劃分網(wǎng)格

6.2 熱邊界條件設(shè)置

當(dāng)模塊處于最大功率工作狀態(tài)和最高環(huán)境溫度時(shí)，模塊的散熱設(shè)計(jì)要求能夠保證模塊內(nèi)部元器件結(jié)溫不超過(guò)額定要求，模塊性能不會(huì)因散熱問(wèn)題造成下降或失效。本次模擬模塊熱工況時(shí)設(shè)置的熱邊界條件：在ICEPAK 中對(duì)光電主機(jī)模塊所有零件和大功率器件賦予熱性能參數(shù)，設(shè)置環(huán)境溫度為70 ℃，設(shè)置光電主機(jī)模塊鎖緊條安裝位置上下表面為恒溫面70 ℃，按圖2 和圖3 中光電主機(jī)模塊和元器件熱耗情況加載熱載荷，光電主機(jī)模塊蓋板兩面設(shè)置3 m/s 強(qiáng)迫風(fēng)。

6.3 熱仿真結(jié)果及分析

仿真結(jié)果如圖6-8 所示，由圖得知，光模塊的最高溫工作溫度為+76 ℃，F(xiàn)PGA 的最高工作溫度為+72.1 ℃，電源芯片的最高工作溫度為+72.9 ℃，功率器件的最高工作溫度為+81.8 ℃。主要的大功率器件在仿真中平均殼溫見(jiàn)表1。

圖6 光電主機(jī)模塊溫度分布（去蓋板）

圖7 光電主機(jī)模塊子板光模塊溫度分布

圖8 光電主機(jī)模塊主板功率器件溫度分布

上述，仿真結(jié)果顯示所有的功率器件溫度均不超過(guò)對(duì)應(yīng)的許用溫度，熱仿真結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了上述模塊熱設(shè)計(jì)方案滿足熱環(huán)境條件的要求。

7 結(jié)語(yǔ)

光電主機(jī)模塊在+70 ℃工作環(huán)境下，主板、子板的散熱器件分布合理，結(jié)構(gòu)熱設(shè)計(jì)合理，模塊的熱源得到了有效冷卻散熱。結(jié)合運(yùn)用熱仿真分析技術(shù)，驗(yàn)證了該模塊熱設(shè)計(jì)方案是可行的。為解決高熱流密度的小型化模塊在高溫工作環(huán)境下的散熱技術(shù)問(wèn)題提供參考價(jià)值。