基于Icepak的通信插箱热分析设计

文/李超 王岩 张东阁

1 引言

随着电子技术的发展，尤其是微电子技术的发展，电子元器件和设备的尺寸正迅速缩小，而功率却一直增大。使得单位面积容纳的热量越来越多，特别是在恶劣环境下的电子产品要求必须是全封闭的，降噪条件下的电子产品要求拆去风扇，使得电子产品的散热环境更差，为了达到容许的温度，设计人员要提高散热效率、改善换热环境。因此电子设备的热设计在整个产品的设计中占有越来越重要的地位，在这种环境下，传统的热设计方法已经很难适应需求，为了保证设备的正常工作，就必须要对电子设备进行科学的热设计。热仿真能够在样品和产品开始之前确定和消除热问题，借助热仿真可以减少设计成本、提高产品的一次成功率，改善电子产品的性能和可靠性，减少设计、生产、再设计和再生产的费用，缩短高性能电子设备的研制周期。热分析软件能够比较真实的模拟系统的热状况，应用热分析软件，在设计过程中就能够预测到各元件的工作温度值，这样就可以纠正不合理的排布，取得良好的布局，从而可以缩短设计的研制周期。

本文通过对某通信设备的结构设计进行热仿真分析，确定风扇、通风口和PCB 之间的流体分布，确定系统的温度分布，预估器件温度，验证结构设计方案是否满足系统散热要求。本文经过研究分析，发现了原有设计方案的散热风险，并就此提出了改造方案，并对新方案进行了仿真验证。

2 箱盒设计方案及热问题描述

本论文主要内容针对某电子产品的便携式测试仪的热设计问题。该测试仪采用376×252×96mm的成品机壳，机壳有上下两部分壳体及两侧面的挡板组成。设备内包含的主要元器件有一块电源、一块显示器、两块板组，其中一块板组上有两个体积较大的PC模块，另一板组上包含两个CPU芯片。其中CPU芯片和电源是主要的发热元件。两个芯片的耗散功率分别为22W和4.3W,电源的耗散功率为3W。

2.1 热仿真模型的建立

图1为元器件建模，图2为风扇与通风孔建模，根据初步结构设计方案建立Icepak计算模型。该问题的模型主要包括以下几个部分：

（1）机盒（Cabinet）：机盒简化成376×252×96mm长方体，边界面采用Icepak默认边界（Steel-Oxidised-surface）来模拟机壳。该种边界用来模拟金属薄壁，可以进行导热、对流及热辐射计算。

（2）衬板（Conducting thick plates）：衬板为2mm薄板，用于安装器件及导热。可将其简化为导热厚板模型，进行热量的传递。材料为铝。

（3）电源（block）：电源由电源模块外包裹金属外壳组成。将电源模型简化成内部掏空的长方壳体（由外部实心长方体和内部的空心长方体叠加组成）。定义其发热量为3W。

（4）PCB板（Conducting thick plates）：相对于芯片和电源而言，PCB板组本身的发热量较小，可以忽略。将PCB板简化为导热厚板（Conducting thick plates）模型，可以进行热量的传导，其厚度为1.6mm。

（5）芯片（sources）：芯片简化为两个热源（blocks），设定参数一个为10W，一个为4.3W。

（6）显示器（hollow block）：忽略显视屏的发热量及导热量，将其简化为空心的长方体，作为阻风块参与计算。

（7） PC模块（hollow block）：处理方法同显示器。

2.2 仿真结果

芯片及PCB区域温度分布如图3，计算结果表明系统最高温度为66.8℃，最高温度出现在22W芯片上。

图4为系统内的气流线径图，可以看出气流主要流经线路。可以看出风扇来流主要沿箱体侧壁流出通风孔。

在芯片上方区域建立切面，观察其气流流速，如图5。可以看出沿气流路径流速较大，此速度下对流换热不充分。且其他区域流动较小。系统内气流路径规则，层流较多，不利于散热。

3 结构改进方案及仿真验证

3.1 散热问题分析

由上一方案的仿真结果可以看出，芯片温度最高可达66°。由于该产品的允许使用温度范围为0～60℃。显然，该结构设计方案无法满足设备的散热要求。必须对此结构设计进行改进。

3.2 散热改进方案

3.2.1 在衬板上增加肋片，并在芯片与衬板间建立结构连接

铜的的导热迅速，导热性能较好。用铜板结构将热量迅速传导到衬板上，衬板带肋片，散热面积较大，散热较快，可以有效地控制芯片温度，提升系统的散热性。同时，芯片与铜板间需涂抹导热硅脂以降低接触热阻。这一改动之后，系统的主要对流散热区域由PCB板调整至衬板上。

图1：元器件建模

图3：芯片及PCB板温度分布

图4：气流线径

图5：速度切面

图6：芯片及PCB温度分布图

图7：改进方案气流线径图

图8：改进方案散热区温度分布图

3.2.2 更改通风孔位，将其移至箱盒底部，并增加通风孔面积

由于增加铜板导热后，热量主要在衬板的肋片中通过与空气的对流散掉。因此，调整风道，增大肋片周围的空气流动，能够加强衬板肋片的对流换热，使由芯片传导至衬板的热量更快的被散掉，从而改善系统的散热性能。

修改仿真模型，增加以下几个部分：

（1）散热片（solid block）： 三块铜质散热片（材料为铜），以及一块带肋片衬板（材料为铝型材），简化为实体块（solid block）。

（2）热阻（resistance）：在铜制散热片与芯片之间建立二围热阻，赋值为0.0025C/W。

（3）衬板：更换衬板模型，新衬板模型增加了肋片结构。

其仿真结果如图6-8。

从改进方案的仿真结果来看，气流经衬板与箱体的夹缝流向底面通风孔。由于新增加结构件阻碍了风扇来流，系统内气流湍流度增强。PCB与芯片上方区域空气流动加强。整体流速降低，对流换热更充分。系统的最高温度为51.5℃，此时热性能可以满足系统的要求。

4 结论

本论文针对某通信测试设备进行了热设计。在结构设计之初，通过热仿真，确定系统散热性能，找出系统散热问题，并对此提出以下几种改进方案：

（1）增加散热片，将发热元件的热量导出到散热面积更大的散热片，使热量不再集中于发热元件区域，可以有效地降低发热元件的温度。

（2）通过调整通风孔位置及结构件排布，改进了风道，破坏了层流流动，增加了气流扰动，使气流速度得以控制，从而加强了元件与空气的对流换热，是系统的散热性能得到提高。

经上述改进，设备的散热性能增强，元件温度下降，满足了系统的散热要求。