便携式密封电子设备的自然散热设计

谢明君，郑国宏

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北石家庄050081)

0 引言

据研究，电子设备的失效有55%是温度超过规定值引起的［1］。某文献指出，电子元器件的温度每上升10℃，其可靠性就会减半。因此即使是降低1℃也将使设备的失效率降低一个可靠的量值，这对可靠性高的电子系统尤为重要［2］。

热设计的任务是通过设计和计算，最终保证设备能够工作在给定的环境条件下正常工作。借助CFD仿真软件，对所研究的对象进行热仿真分析，并为设计者提供设计依据和参考，是目前电子设备热设计中较为流行的一种设计方法。它不仅是一种提高散热设计手段和方法的有力工具，而且对于提高设计水平，减少设计反复，缩短产品开发周期等都具有重要的意义［3］。

1 自然散热的设计要点

设备内部的热源为印制板上的电子器件，热量的流向如图1所示(实线代表主要传热路径，虚线代表次要传热路径)。设备采取自然散热时，电子器件的稳态温度取决于以下3个方面:①热源到机箱外壳的热阻;②机箱外壳的辐射散热能力;③ 机箱外壳对流散热能力。为了降低内部器件的温度，需要从以上3方面入手进行设计。

图1 热流路径图

1.1 降低热源到机箱外壳的热阻，提高导热能力

主要方法有:

①尽可能保证印制板上热功耗分布均衡，避免局部区域热功耗过于集中而导致元器件温度过高;

②功放模块内发热量大的芯片直接焊接在屏蔽盒的底板上;

③尽量增大印制板覆铜层的面积，增加印制板自身的传热能力;

④印制板四周与屏蔽盒连接的部分加金属镀层;

⑤屏蔽盒与印制板的连接面，屏蔽盒与锁紧装置及机箱的连接面应保证接触压力，而且加入导热填料，如涂导热硅脂，减少接触热阻［4］;

⑥对功耗较大的器件如:A/D、FPGA等，设计导热块将热量直接传递给屏蔽盒。

1.2 提高辐射散热能力

提高辐射散热能力的方法有:

①机箱和模块除了接触部分为导电氧化，其余部分均涂三防漆;

②隔热板作为机箱和功放模块之间的隔热墙，为了提高其隔热能力，设计其表面粗糙度为3．2并进行导电氧化;

③散热片的设计考虑相邻的散热片之间相互热辐射，设计间距要大于6 mm;

④如果体积允许，功耗较大的模块需要交叉排布。

1.3 提高机箱外壳的对流散热能力

图2 热仿真优化设计流程

便携式密封电子设备内部元器件所释放的热量全部由机箱外壳吸收，通过对流换热与热辐射，将热量散发到大气热沉中［5］。机箱起到一个热交换器的作用［6］。为了获得温度控制与体积重量的平衡，利用热仿真软件ANSYS-Icepak进行热仿真，优化机箱外形结构参数，流程如图2所示。

2 便携式超短波设备热设计

为了满足电磁屏蔽及防雨要求，某便携式超短波信号模拟器采用全密封结构，整机重量要控制在15 kg以下。设备内部采用模块化设计。机箱采用六面板式拼装，每个面用防锈铝5A06－F铣削加工成型，面与面接触部位加装防水橡胶条。结构如图3所示，设备总共有6个外表面，前面板为操作面板，后面板用于固定电池包，其余4个面作为主要的散热面。电源模块和功放模块是由于热功耗相对比较大，是散热设计重点考虑的对象，将电源模块和功放模块分别通过螺钉固定在机箱的左右两侧，利用机箱的左右侧板进行散热，其余的模块通过楔形锁紧装置与上下盖板固定，利用机箱上下盖板进行散热。由于功放芯片一方面热功率密度大，另一方面也具有温度耐受能力强的特点，设计隔热板将功放封闭在由隔热板和机箱右侧板组成的金属腔体里(以下简称A腔，其余功能模块加电源组成的腔体称为B腔)。

图3 分机组成图

3 热仿真及优化

A腔和B腔中间加装隔热板，对于散热可以认为A腔和B腔是2个独立的结构部分，分别针对两部分进行热仿真及优化。

3．1 A腔的热设计

A腔内功放模块总功耗为89 W，最高许用壳温为100℃。为避免电磁干扰，功放模块采用屏蔽盒的结构形式，通过螺钉固定在机箱的右侧板上，接触面垫铟片。在机箱的右侧板铣出肋片，增大散热面积并帮助建立气流上升的通道。

肋片的设计是自然散热设计重要环节之一［7］，其设计参数为肋厚、肋高和肋间距，当散热面尺寸一定时，减小肋间距，则肋化系数增加，热阻降低，但由于流体的粘滞作用，肋间距过小将引起换热效果变差;肋片厚度越大意味着总的肋片数量越小，相应散热面积变小，缩小肋片厚度可以获得更多的散热面积，但肋片过薄会造成结构强度降低及肋片效率降低;肋片增高可增加散热面积，但过高会降低刚度且增加重量。因此，散热肋片的设计是一个需要综合考虑的问题。

散热面尺寸确定后，肋片厚度不变时，散热片的间距增加时，肋片个数随之减小，功放芯片的壳温呈一个U型曲线，存在一个波谷―最低壳温，通过改变肋片参数，使用ANSYS-Icepak对A腔模型进行热仿真，获得不同肋片间距条件下功放芯片壳温的对比，如图4所示。

图4 不同肋片间距下的壳温对比

在肋片厚度3 mm，间距12 mm，高度35 mm时芯片的壳温最低为106．9℃。对于功放模块这类点热源的散热，铝底板导热能力有限，必须采用导热能力更高的材料替换才能降低壳温，紫铜的导热能力是铝的1．8倍，密度是铝的3．3倍。为了取得导热能力和重量的平衡，整体采用铝板，在芯片下方采用钎焊的方式嵌入紫铜板。3种形式的底板对壳温的影响如图5所示，铝嵌铜底板和紫铜板相比壳温仅升高了1．65℃，重量下降了400 g。

图5 不同材料条件下的壳温对比

肋片的高度与其散热能力并非纯粹的线性关系，从图6中可以看出肋片从15 mm提升至35 mm，芯片壳温下降3．9℃，再提升至55 mm时，壳温仅下降1．1℃，加高肋片的意义已经不大了。出于设备重量及经济性的考虑，设计肋片高度为35 mm。优化后的的A腔的温度云图如图7所示，芯片壳温为93．69℃，满足功放对于温度要求。

图6 不同肋片高度的壳温对比

图7 A腔温度云图

3．2 B腔的热设计

B腔内的模块总功耗为59 W，最高许用温度为90℃。可利用的散热面积较大，在满足散热要求的前提下，尽量减轻散热片的重量从而控制整机的重量是热设计的首要目标。设计3个散热面的肋片厚度为2 mm，肋片间距为12 mm，肋片高度为3 mm，总的散热面积为4 672 cm2。仿真结果如图8所示。

图8 B腔温度云图

印制板上最高温度为84．69℃，电源模块的最高温度为71．37℃，均符合温度要求。设计的肋片仅有3 mm，即保证了满足了散热要求，也减轻了机箱的重量，同时还保证了机箱骨架一定的刚度。

4 结束语

依据优化设计的结构参数制作了样机，实验结果表明，环境温度55℃条件下，设备工作正常，整机重量为13．9 kg，满足要求。便携式密封电子设备的热设计首先需要分析设备的热流路径，其次要采取措施降低各个传热路径的热阻，最后要对机箱外壳的散热结构参数进行优化设计。通过对便携式超短波设备的自然散热设计，可以得出以下结论:

①热仿真软件能够提高设计的精细化程度，是优化设计的有力手段;②铝板嵌铜能够平衡底板导热能力与重量之间的矛盾，适用于有重量限制的高导热需求;③隔热板可将设备的高温区隔离，将设备分解为两部分考虑散热，简化设计，实践证明是可行的;④自然散热设计的关键之一是机箱外壳散热肋片的设计，针对不同的散热量及目标温度，散热肋片的最优参数也不相同，需要根据散热功耗，许用壳温及重量限制等统筹考虑。

［1］ 庞明银，葛跃进．电子设备的热设计［J］．科技信息，2011(15)：123．

［2］ 于慈远，于湘珍，杨为民．电子设备热分析－热设计－热测试技术初步研究［J］．微电子学，2003，30(5)：334－337．

［3］ 梅启元．热仿真分析技术在相控阵雷达天线散热设计中的应用［J］．电子机械工程，2007，27(3)：11 －13．

［4］ 张斌，武沛勇，韩凤廷．一种新型电子设备热设计分析［J］．无线电通信技术，2011，37(5)：41 －43．

［5］ 宋云．T/R组件的散热设计［J］．电子机械工程，2003，19(5)：5 －7．

［6］ 白秀茹．典型的密封式电子设备结构热设计研究［J］．电子机械工程，2002，18(4)：36 －38．

［7］ 崔万新，韩宁，段宝岩．散热器优化设计［J］．电子机械工程，2006，22(4)：7－9．