固體激光器關(guān)鍵電子器件熱設(shè)計(jì)與分析

摘要：固體激光器種子源等關(guān)鍵電子器件集中分布會造成發(fā)熱功率較大，元器件工作溫度上升可高達(dá)120 ℃，導(dǎo)致元器件損壞，樣機(jī)無法正常工作。為解決這一難題，提出了關(guān)鍵電子元器件熱設(shè)計(jì)的散熱方案，采用散熱器和鼓－抽風(fēng)強(qiáng)迫風(fēng)冷模式相結(jié)合的散熱方式，優(yōu)化樣機(jī)自然散熱和關(guān)鍵電子器件強(qiáng)迫風(fēng)冷的布局，借助ICEPAK參數(shù)化輔助計(jì)算設(shè)計(jì)散熱器結(jié)構(gòu)，合理選擇風(fēng)機(jī)型號。優(yōu)化設(shè)計(jì)后，在自然環(huán)境中對關(guān)鍵電子器件進(jìn)行熱仿真，仿真結(jié)果顯示，采用散熱器和強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱方式相結(jié)合，元器件最高溫度可有效降低到31℃，滿足元器件使用要求。樣機(jī)研制完成后，開展相關(guān)測試試驗(yàn)且均通過。

關(guān)鍵詞：電子器件；風(fēng)冷；熱設(shè)計(jì)；熱仿真

中圖分類號：TK124 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A doi：10.3969/j.issn.1006-0316.2024.09.009

文章編號：1006-0316 （2024） 09-0061-07

Abstract：The concentrated distribution of key electronic devices such as solid state laser seed source will cause large heating power，"and the operating temperature of components can rise up as high as 120℃， resulting in damage to components and failure of the prototype to work normally."In order to solve this problem， this paper proposes a heat dissipation scheme for the thermal design of key electronic components. Specifically， a heat dissipation mode is adopted with combination of a heat sink and forced air cooling mode."The layout of natural heat dissipation and forced air cooling of key electronic components is optimized."ICEPAK parametric assisted"calculation is used to design the heat sink structure and the model of fan is selected. After the optimization design， the thermal simulation of the key electronic components is carried out in the natural environment."The simulation results show that the maximum temperature of the components can be effectively reduced to 31℃"by using the combination of the heat sink and forced air cooling method， which meets the operating requirements of the components."After the prototype is developed， relevant tests are carried out and all have passed.

Key words：electronic equipment；air cooling；thermal design；thermal simulation

近年來，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，特別是半導(dǎo)體器件的出現(xiàn)，電子設(shè)備逐漸向小型化和集成化的趨勢發(fā)展，這使得電子元器件和設(shè)備的組裝密度迅速提高，其表面熱流密度成倍地增加[1-2]。研究表明，55%的電子設(shè)備失效主要原因是溫度超過規(guī)定值造成的，溫度每升高10 ℃，其可靠性降低50%[3-4]。因此，為保證電子設(shè)備的穩(wěn)定性和可靠性，必須進(jìn)行合理的熱設(shè)計(jì)[5-6]。針對電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)，Sultan[7]提出風(fēng)機(jī)采用抽風(fēng)的模式來避免箱體中流動的空氣形成渦流。Wang[8]提出在設(shè)備機(jī)箱上增設(shè)風(fēng)機(jī)和通風(fēng)孔的方式來增強(qiáng)系統(tǒng)的散熱能力。陳賀等[9]通過試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算結(jié)合，優(yōu)化了箱體結(jié)構(gòu)，提高了設(shè)備可靠性。劉漢濤等[10]利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)輔助熱設(shè)計(jì)和數(shù)值模擬熱分析技術(shù)，采用熱管對器件進(jìn)行熱傳輸，取得較好的散熱效果。

目前，針對散熱方式的選擇、箱體結(jié)構(gòu)散熱優(yōu)化、數(shù)值模擬散熱等研究較多，但對高度密集的電子元器件散熱、散熱器參數(shù)計(jì)算、風(fēng)機(jī)選型等研究較少。同時，高度密集的電子元器件產(chǎn)生的高溫集聚已成為影響設(shè)備長期正常運(yùn)行和穩(wěn)定性的關(guān)鍵共性問題。針對上述難題，為確保電子元器件產(chǎn)生的高熱量能快速散發(fā)，需設(shè)計(jì)合理的結(jié)構(gòu)散熱方案，保證設(shè)備可靠運(yùn)行。為此，筆者以某固體激光器結(jié)構(gòu)熱設(shè)計(jì)為研究對象，計(jì)算樣機(jī)表面熱流密度和體積功率密度，確定整機(jī)散熱方式；針對關(guān)鍵電子器件集中區(qū)域進(jìn)行詳細(xì)熱設(shè)計(jì)，采用散熱器和風(fēng)機(jī)鼓－抽風(fēng)強(qiáng)迫風(fēng)冷模式相結(jié)合的散熱方式，并結(jié)合數(shù)值仿真和樣機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證，最終驗(yàn)證了該結(jié)構(gòu)熱設(shè)計(jì)方式的有效性和合理性，為后續(xù)樣機(jī)的量產(chǎn)提供重要數(shù)據(jù)支撐。

1 熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)組成及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該激光器主要由高重頻激光系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、散熱系統(tǒng)、機(jī)箱和其他結(jié)構(gòu)件組成。該設(shè)備采用箱式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，分為上下兩個腔，其中一個腔用于安裝LD驅(qū)動單元、AC/DC模塊和控制單元，另一個腔用于安裝光纖激光器種子光源和散熱單元。二次電源安裝在側(cè)壁，依靠自身的風(fēng)冷方式散熱，上下蓋板通過螺釘與箱體連接構(gòu)成一個封閉主體。散熱系統(tǒng)采用散熱器和風(fēng)道內(nèi)部前后兩個鼓-抽風(fēng)機(jī)組合模式。設(shè)備系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示，整個箱式結(jié)構(gòu)采用導(dǎo)熱系數(shù)較好的6061鋁合金加工而成，表面加工凹槽，進(jìn)一步增加散熱面積。

1.2 熱設(shè)計(jì)

該激光器要求在常溫狀態(tài)下能持續(xù)正常工作（工作的環(huán)境溫度為+5～+30 ℃），并且需要實(shí)現(xiàn)高重頻激光輸出，輸出功率≥5 W（@重頻200 kHz），脈沖寬度≤20 ns。

當(dāng)激光器在正常工作時，內(nèi)部電子元器件會產(chǎn)生大量的熱，這些熱如果不能及時排除，熱量會在箱內(nèi)大量堆積，將會超過電子元器件的許用溫度，影響設(shè)備的可靠性和壽命。

表1是該激光器設(shè)備中主要電子元器件的熱設(shè)計(jì)參數(shù)。激光器設(shè)備總熱功耗111 W，機(jī)箱內(nèi)部總熱功耗為76 W。AC/DC模塊安裝在激光器設(shè)備側(cè)面，模塊自身帶有散熱風(fēng)機(jī)，可將產(chǎn)生的廢熱及時排出，但同時也會通過箱壁將熱量傳導(dǎo)至箱內(nèi)，其余功耗模塊均安裝在設(shè)備內(nèi)部。由于元器件功耗值不同，分布在不同區(qū)域，使得激光器設(shè)備內(nèi)部的熱流密度存在差異。熱流密度集中區(qū)域在LD安裝區(qū)域，因其安裝位置的限制，排列比較集中，內(nèi)部空氣流動受阻易形成熱流停滯現(xiàn)象。為了使整個激光器能正常持續(xù)且高效的運(yùn)行，因此合理的結(jié)構(gòu)熱設(shè)計(jì)是非常重要的。

2 熱計(jì)算

熱傳遞的方式主要有熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射三種。在熱計(jì)算時，先分析整個設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，綜合考慮設(shè)備的整體空間后開展合理布局；計(jì)算設(shè)備發(fā)熱量，熱流密度和體積功率密度，選擇合適的冷卻方式，確保設(shè)備能正常高效的工作。圖2是開展熱設(shè)計(jì)的流程圖。

2.1 冷卻方式選擇

電子產(chǎn)品冷卻方式主要有：自然冷卻、強(qiáng)迫風(fēng)冷、強(qiáng)制液冷和其他散熱方式。

根據(jù)GJB/Z 27－1992[11]電子設(shè)備可靠性熱設(shè)計(jì)手冊，其功率密度計(jì)算公式為：

式中：為功率密度；為熱流密度；Q為總功耗；V為體積；A為設(shè)備的表面積。

設(shè)備安裝在某平臺上，另一側(cè)面安裝有其他設(shè)備，故這兩個面均不計(jì)算在表面積之內(nèi)。根據(jù)表1主要元器件功耗，（后面計(jì)算值的總功耗來源于表1）計(jì)算可得＝0.004 W/cm3， ＝0.027 W/cm2，根據(jù)圖3溫升和熱流密度關(guān)系[11]，結(jié)合部分電子元器件允許的最高溫升，確定整個設(shè)備采用自然散熱的冷卻方式。

由于LD驅(qū)動單元與LD1和LD2排列比較集中，對該部分的熱流密度進(jìn)行計(jì)算，其值為0.11 W/cm3，當(dāng)熱流密度在0.08～0.3 W/cm3，其冷卻方式應(yīng)選擇強(qiáng)迫風(fēng)冷[12]，為解決這部分熱流密度集中問題，本文將以這塊為主要研究對象，開展詳細(xì)的熱設(shè)計(jì)。

2.2 風(fēng)機(jī)的選型

根據(jù)整機(jī)最高工作溫度指標(biāo)，選擇工作溫度為30 ℃（這里的30"℃為整機(jī)在正常工作時所處的外部環(huán)境溫度），進(jìn)出口溫差Δt＝10 ℃，定性溫度（流體的溫度）Tf＝35"℃[13]。表2為空氣在35 ℃的特性參數(shù)[13]。

根據(jù)熱平衡方程可得所需風(fēng)量為[13]：

式中：為風(fēng)量；φ為總功耗；ρ為氣密度；為空氣比定壓熱容；為冷卻空氣進(jìn)出口溫差。

經(jīng)計(jì)算＝0.0031"m3/s。

風(fēng)扇壓力計(jì)算為[11]：

式中：P為風(fēng)扇壓力；f為摩擦系數(shù)，與壁表面摩擦系數(shù)有關(guān)，光滑的鋁通道f＝0.03；為當(dāng)量直徑；l為流道長度；ζ為動壓損失系數(shù)，ζ＝3；H為通風(fēng)截面的長；S為通風(fēng)截面的寬。

經(jīng)計(jì)算，設(shè)備散熱所需參數(shù)為P＝108 Pa，"＝0.0031"m3/s，在風(fēng)扇選型時，確保設(shè)備在特殊環(huán)境能正常運(yùn)行，需考慮一定的富余量，按照計(jì)算值的1.5倍考慮。結(jié)合風(fēng)扇安裝位置，采用鼓－抽風(fēng)組合強(qiáng)迫風(fēng)冷，選擇SUNON公司的軸流風(fēng)機(jī)，型號為PF40281B2-000C-A99，最大風(fēng)壓為275 Pa，最大風(fēng)量為0.0084"m3/s，風(fēng)機(jī)尺寸為40 mm×40 mm×28 mm，圖4是所選風(fēng)機(jī)工作特性曲線。

2.3 散熱器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

散熱器設(shè)計(jì)需考慮加工工藝簡單、重量輕、熱阻小和換熱效率高等情況，故選擇矩形散熱器翅片。在安裝過程當(dāng)中，保證散熱翅片垂直水平面，并且翅片的方向和風(fēng)機(jī)氣流相同，增加了強(qiáng)迫對流換熱面積，也提高散熱效果。

散熱翅的厚度和翅高影響空氣湍流狀態(tài)，進(jìn)而影響散熱效果。工程中，散熱翅片起到有效的散熱效果的條件是滿足畢渥數(shù)Bi≤0.25；實(shí)際應(yīng)用中，對于矩形直翅，長而薄的翅片，翅片末端可以看作絕熱端面，實(shí)際散熱量與翅高關(guān)系可表示為[14]：

式中：Q為實(shí)際散熱量；A為翅片橫截面積；T0為翅片基部溫度；Tf為流體溫度；h為翅高；m為與換熱系數(shù)相關(guān)的常量，可查表取值；通常以mh為橫坐標(biāo)繪制翅片的效率曲線（用th（mh）/mh來表示翅片的散熱效率）。

通過式（8）可得翅片散熱量與翅高之間的關(guān)系如圖5所示。

翅片間距與翅片數(shù)量成負(fù)相關(guān)，影響空氣擾動和湍流強(qiáng)度，初步設(shè)定翅片間距設(shè)為2 mm，綜合考慮關(guān)鍵器件的安裝條件，基板厚度設(shè)為5 mm。借助ICEPAK對散熱器進(jìn)行參數(shù)化輔助計(jì)算，以關(guān)鍵器件處溫度控制在35 ℃以下為設(shè)計(jì)目標(biāo)，以間距、翅數(shù)目為參數(shù)計(jì)算變量，結(jié)合實(shí)際安裝空間，計(jì)算所得散熱器各具體參數(shù)如表3所示。

3 熱仿真

3.1 散熱器數(shù)值計(jì)算

為縮短仿真計(jì)算時間，提高數(shù)值分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，采取對設(shè)備發(fā)熱模塊集中區(qū)域進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。本文熱量集中區(qū)域在安裝LD模塊處，發(fā)熱器件采用熱源代替，采用強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱方式，整個設(shè)備的工作環(huán)境為常溫工作。

圖6是主要熱源和散熱器簡化的三維模型。采用ICEPAK軟件在常溫工況下進(jìn)行仿真，其主要功耗熱源LD用面熱源代替，非功耗元件全部省略，整個散熱器材料采用導(dǎo)熱系數(shù)好的6063鋁，其導(dǎo)熱系數(shù)為201 W/（m·K）。

完成邊界條件設(shè)置，網(wǎng)格劃分，在ICEPAK中采用FLUENT計(jì)算流體力學(xué)（CFD）求解引擎，它應(yīng)用的是有限體積法，對結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格都能快速求解。

3.2 結(jié)果分析

在迭代過求解程中，通過求解監(jiān)視器，可以詳細(xì)觀察到求解過程中的步驟和收斂情況，圖7是求解過程中參數(shù)殘差收斂曲線，參數(shù)均收斂。

在常溫環(huán)境工況下，數(shù)值仿真計(jì)算得到散熱器在不加風(fēng)扇（自然散熱）條件下的溫度分布如圖8所示?？梢钥吹剑畹蜏囟葹?04.5 ℃，最高溫度可達(dá)119.8 ℃，均超過了相應(yīng)模塊能承受最高極限溫度，需進(jìn)一步采用強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱優(yōu)化設(shè)計(jì)。

在同等條件下，對散熱器采用強(qiáng)迫風(fēng)冷的散熱優(yōu)化設(shè)計(jì)，模擬其散熱情況。圖9是在散熱器的風(fēng)道端面加上風(fēng)扇、采用鼓風(fēng)設(shè)計(jì)后得到的溫度分布圖。明顯看到，換熱器模塊最高溫度降至30.8 ℃，滿足模塊允許得最高溫度。

圖10是整個散熱器的流場跡線圖，圖11是Y方向的速度矢量圖。流場和溫度場在熱分析中是緊密相連的，對流場的分析有助于了解系統(tǒng)與各部件之間具體散熱環(huán)境。本文僅針對熱量過于集中的區(qū)域展開數(shù)值計(jì)算與分析。在設(shè)備結(jié)構(gòu)中，風(fēng)扇安裝在箱體的左側(cè)，從圖10可以看到，風(fēng)扇將環(huán)境中大量的冷空氣通過固定風(fēng)道帶入到散熱器中，冷空氣吸收散熱翅壁面上傳導(dǎo)過來的熱量，并將其帶出設(shè)備內(nèi)部；風(fēng)扇在整個散熱過程中對空氣起到強(qiáng)化對流換熱作用。從圖11可以看到，在風(fēng)扇作用下，空氣進(jìn)入到散熱器內(nèi)部，由于空氣流通截面積變小，空氣流速變快；在散熱器內(nèi)部設(shè)置有多個均壓腔，不但可避免散熱器內(nèi)壓差過大，而且還可以增加空氣擾動層度，提高散熱器的換熱能力。

4 測試驗(yàn)證

對研制成功的工程樣機(jī)需要對其工作性能進(jìn)行試驗(yàn)測試，如圖12所示。測試方法：將工程樣機(jī)放置在室溫環(huán)境下，對整個樣機(jī)中的各個模塊進(jìn)行滿功耗測試，測試發(fā)射出的激光峰值功率和樣機(jī)內(nèi)部各關(guān)鍵位置溫控點(diǎn)的溫度。

為便于安裝和測量關(guān)鍵元器件位置的溫度，選擇帶安裝孔的K型熱敏電阻，分辨率為0.1 ℃，測溫范圍-30～125 ℃，測溫點(diǎn)安裝位置如圖（6）所示。散熱器關(guān)鍵元器件位置溫度實(shí)測值與仿真值對比如表4所示。

試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)樣機(jī)峰值功率達(dá)到指標(biāo)要求后，各關(guān)鍵元器件溫度控制在允許最高溫度范圍內(nèi)，且實(shí)測值與仿真值誤差控制在5%以內(nèi)，散熱器各參數(shù)設(shè)計(jì)滿足要求，設(shè)備運(yùn)行正常，樣機(jī)結(jié)構(gòu)滿足熱設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)論

首先對某激光器熱源分布及技術(shù)要求進(jìn)行了系統(tǒng)分析，接著計(jì)算并設(shè)計(jì)散熱方案，從而提高熱設(shè)計(jì)效率。針對高熱流密度區(qū)域的電子器件，采取散熱器和鼓－抽風(fēng)強(qiáng)迫風(fēng)冷模式相結(jié)合的散熱方式，參數(shù)化優(yōu)化了散熱器和在整機(jī)中的結(jié)構(gòu)布局；通過熱仿真計(jì)算，結(jié)果表明該散熱方案可有效降低關(guān)鍵器件工作的溫度，最高降幅可達(dá)74.2%。最后通過測試實(shí)驗(yàn)，其實(shí)測值與仿真值誤差在5%以內(nèi)，驗(yàn)證了該熱設(shè)計(jì)方案的合理性和有效性。本文提供的熱設(shè)計(jì)方案提高了產(chǎn)品的可靠性，縮短了產(chǎn)品研制周期，可為后續(xù)相關(guān)產(chǎn)品的研制提供技術(shù)支撐。

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