一种堆叠式小型高速信号处理模块的热分析研究

涂 炯，秦友伦，祝本明

（中国兵器工业第五八研究所 四川 绵阳621000）

一种堆叠式小型高速信号处理模块的热分析研究

涂 炯，秦友伦，祝本明

（中国兵器工业第五八研究所 四川 绵阳621000）

针对小型高速信号处理模块逐渐向小型化、微型化、便携式发展的特点，提出了一种堆叠式小型高速信号处理模块预设计方案。该方案依据设备全密闭腔体结构，分析了高速信号采集板和高速信号处理板散热分布，并依据散热分布建立了两种散热分析模型，通过理论计算得出符合设计要求设计方案；然后采用FloTHERM软件进行了热分析。FloTHERM软件分析结果表明：在55℃工作环境下，最热处为DSP芯片，温度为78℃左右，热量成辐射状散开，整体设备壳温为60℃左右，满足模块散热需求，验证了机箱热设计的合理性。

热分析；堆叠式；高速信号处理；FloTHERM

随着电子技术不断发张，高速信号处理模块逐渐向小型化、微型化、便携式发展，因此高速信号处理模块的功能和复杂性日益增长，其电子器件的热流密度急剧增加，设备的温度随之上升，从而影响高速信号处理模块的可靠性[1-6]。

实践表明，电子元件故障率会随温度升高呈指数增加，电子设备的性能则与温度变化成反比。甚至有的器件在环境温度每升高10℃，失效率会增大1倍以上。根据文献可知，55%的电子设备失效率是由温度超过规定的值引起的，因此，对电子设备而言，即使温度降低1℃，设备的失效率也会降低一个可观的量值。由此可见，电子设备的热设计尤为重要[7-11]。

电子设备热设计是指对设备的耗热器件、单板、整机以及系统采用合适的冷却技术和结构设计，对设备温升进行控制，从而保证电子设备或系统运行正常，提高设备的可靠性。国外研究电子设备热设计始于60年代，发展了电子设备的热分析技术、热设计技术以及热测试技术。目前，我国热设计技术已日趋成熟，已在航空航天及军事等领域得到了广泛应用[12-15]。

1 堆叠式小型高速信号处理模块架构

小型高速信号处理模块为全密闭腔体结构，采用堆叠式方式安装，安装于堆叠架构的顶层，外形尺寸为120mm×120mm×50mm（长×宽×高），通过4个M4螺钉与底层模块连接，螺钉孔间距为108mm× 88mm（长×宽）。

设备分为上下两个腔体，采用2A12铝合金材料，内部安装分别安装高速信号采集卡和高速信号处理卡，模块底部安装绝热垫，防止顶层和底层直接热量传导。

设备环境工作温度为：-40℃～+55℃，存储温度：-45℃～+60℃，放置于密闭舱内。

图1 小型高速信号处理模块结构图

2 热建模

设备内部包含高速信号采集板和高速信号处理板两块板卡。高速信号采集板主要发热器件为ADC、DAC、FPGA等芯片；高速信号处理板主要发热器件为DSP芯片和处理芯片，最大功耗分别为10.5 W和7 W。

设备下腔体安装绝热垫，其底面传导散热有限，可忽略不计，模块主要通过自然空气对流和辐射散热。

根据牛顿方程，对流换热可表示为：

式中，hc—换热系数 （W/（m2·℃））；

A—换热面积 （m2）；

（tw-tf）—温差 （℃）。

因模块尺寸较小 （任何方向尺寸都小于600），温度参数在20～200℃之间，自然空气对流时的散热量可表示为：

式中，Ψ---热流密度 （W/m2）；

A---换热面积 （m2）。

通过简化，工程上可用如下公式：

式中，C、D---特征尺寸，查表1确定；

ΔT---温差 （℃）。

表1 特征值表

热辐射传递的热量为：

式中，Q—单位时间内物体辐射热量 （W）；

ε—物体辐射系数；

C0—黑体辐射系数，C0=5.67 W/m2.K4；

T1、T2—绝对温度K；

A—辐射物体表面积m2。

表2 物体辐射系数表

模块现拟定两种散热方式，并对其进行计算：

方式一：模块外壳设计成120mm×120mm×50mm（长×宽×高）方形腔体。

查表1，模块为热面朝上的散热平面。故C=0.54。

环境工作温度55℃，芯片壳温85℃，ΔT=30℃。

特征尺寸：

D=（2×0.12×0.1）/（0.12+0.1）=0.11

代入式（3）得到热流密度：

Ψ=2.5C·ΔT1.25/D0.25=2.5×0.54×301.25÷0.110.25=164.6（W/m2）

图2 方形腔体示意图

散热面积 （不含底面）：

A=0.0296（m2）

此方案，自然对流散热：

φ=Ψ·A=4.87（W）

辐射散热：

因此，此种方案散热量为4.87+0.69=5.56（W）＜17.5（W），故不能满足模块散热需求。

方式二：模块顶部及两侧开散热翅片。

由于模块体积限制，翅片高度不应该太高，翅片效率：

当m·H=0.5时，ηfin=90%。如果再增加翅片高度，翅片效率将缓慢的趋向于1。其中特征值m为：

这个特征值与热交换系数h、翅片材料热导率、翅片厚度有关。本设计选用铝材料自然对流方式k≈180 W/m2K，自然对流h=5 W/m2K，翅片高和厚度分别设计为10mm和1.5mm，代入公式（5）和（6）计算可得翅片效率大于90%，满足散热需求。

图3 模块翅片设计图

模块翅片间距太大则相应的表面积较小，如果翅片间距太小则气流的阻力比较大，根据经验，翅片间距设计为3mm。

通过计算，散热面积（不含底面）：

自然对流散热量：

辐射散热：

因此，总散热量Q总=13+10.76+1.5=24.26 W，大于模块散热量17.5（W），满足模块散热需求。

3 热仿真

采用FloTHERM软件进行了热分析，FloTHERM是一套由电子系统散热仿真软件先驱——英国FloMERICS软件公司开发并广为全球各地电子系统结构设计工程师和电子电路设计工程师使用的电子系统散热仿真分析软件，全球排名第一且市场占有率高达80%以上。在热分析领域始终处于领先地位，并被业界一致推崇的一款热分析软件。

本次分析条件如下:

1）整机壳体材料为铝板2A12；

2）环境温度+55度；

3）凸台与器件之间的导热垫参数:导热系数2.8 W/M2K

4）高速信号处理板的发热器件包括以下几种:

①DSP芯片:芯片尺寸27mm×27mm×2.1mm，工作温度-40℃～85℃，功耗3.1 W。

②处理芯片:芯片尺寸14mm×14mm×1.4mm，工作温度-40℃～85℃，功耗1.2 W。

整个高速信号处理板功耗约为7 W，发热器件大致布局如图4所示。

图4 高速信号处理板主要发热器件布局图（功耗7 W）

5）高速信号采集板的发热器件包括以下几种:

①芯片1:芯片尺寸23mm×23mm×2.5mm，工作温度-40℃～100℃，功耗2 W。

②芯片2:芯片尺寸16mm×16mm×1.2mm，工作温度-40℃～85℃，功耗1.8 W。

③芯片3:芯片尺寸8mm×8mm×1mm，工作温度-40℃～85℃，功耗1.6 W。

④ 芯片4:芯片尺寸6mm×18mm×1mm，工作温度-40℃～85℃，功耗1 W。

整个高速信号采集板功耗约为10.5 W，大致布局如图5所示。

图5 高速信号处理板主要发热器件布局图（功耗10.5 W）

FloTHERM软件热仿真结果如图6所示。

图6 热仿真图

4 结束语

针对堆叠式小型高速信号处理模块采用全密闭腔体结构特点，在分析设备散热分布的基础上，建立了两个散热模型，通过理论计算选择较优的散热模型，最后使用热分析FloTHERM软件进行了仿真分析。FloTHERM软件分析结果表明：在55℃工作环境下，最热处为DSP芯片，温度为78℃左右，热量成辐射状散开，整体设备壳温为60℃左右，满足模块散热需求，从而验证了机箱热设计的合理性。

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Study on thermal analysis of a stackable small high-speed signal processing module

TU Jiong，QING You-lun，ZHU Ben-ming
（N0.58 Research Institute of China Ordnance Industries，Mianyang 621000，China）

According to the small high-speed signal processing module gradually to the characteristics of the miniaturization，micromation，portable，a design scheme of stackable small high-speed signal processing module is introduced.The scheme on the basis of equipment all closed cavity structure，analyzes the high-speed signal acquisition boards and high-speed signal processing board heat distribution，and two kinds of thermal analysis model is established based on the heat dissipation distribution，through the theoretical calculation design plan comply with the design requirements；then analyzed the thermal by the FloTHERM software.FloTHERM software analysis results show that:in 55℃ work environment，the hottest place is DSP chip，about 78℃，the heat into radial scatter，overall equipment shell temperature about 60℃，meet the requirements of heat dissipation，verified the rationality of the design of heat.

thermal analysis；stackable；high-speed signal processing；FloTHERM

TN06

：A

：1674－6236（2017）06-0005-04

2016-05-12稿件编号：201605107

国家自然科学基金项目（61133016）

涂 炯（1986—），男，四川射洪人，工程师。研究方向：工业控制计算机。