一种数字模块的结构及散热综合设计

唐 兵

(南京雷电信息技术有限公司，江苏 南京 210012)

0 引 言

随着电子设备向着小型化、轻型化发展，内部功能模块由于受安装空间的限制，在进行结构设计时需兼顾散热设计及减重设计，力求达到既满足重量轻、结构形式合理，又能够耗散更多热量的目的。目前，工程技术人员经常需要解决大功耗、高热流密度给电子设备带来的难题。这是由于电子元器件性能受温度影响显著，温度的升高将导致功能模块性能急剧降低甚至完全损坏。著名的“10 ℃法则”鲜明地指出了散热设计的重要性：“半导体器件的温度每升高10 ℃，其可靠性就会降低50%”。因此，散热设计成为发热模块结构设计中的关键环节。本文根据工程实际，设计了一种安装于便携机箱的数字模块，在有限尺寸内对该模块的结构及散热2个维度进行综合设计。即设计思路分为：结构设计时，应选择密度低、强度大的金属材料，结构形式尽量简单；散热设计时，应选择导热系数高的材料，考虑散热齿等较复杂结构形式。因此，需要在保证模块核心电子器件温度不超安全值的情况下，兼顾结构减重设计，找到二者的平衡点。利用目前常用的热仿真软件Icepak对模块散热进行分析，对整个设计过程进行详细的阐述，为结构形式优化提供参考依据。

1 结构设计

根据数字板尺寸，要求数字模块尺寸不超过165 mm×115 mm×30 mm。由数字板上最大器件的尺寸以及外接接口形式，且考虑便于后期安装拆卸维护，初步确定数字模块的结构由盒体(1)、数字板(2)、散热板(3)、左封板(4)、上封板(5)及右封板(6)组成，数字模块经优化后的结构形式如图1所示。

图1 数字模块示意图

为满足模块轻量化要求，盒体等结构件均采用铝合金6063材料铣削加工成型。该材料不仅具有较高的力学性能，而且具有优良的导热系数，能够充分将热量耗散到周围的空气中。

2 热设计

数字板安装有3个主发热器件，总发热功耗为12 W，要求在+20～+45 ℃环境温度下模块均能正常工作，且敏感器件许用结温不大于85 ℃。计算模块表面热流密度约为0.026 W/cm，根据图2所示，初步确定模块可采用自然散热+辐射方式进行散热。散热板与数字板上发热器件对应位置设计向内的凸台结构，如图3所示。凸台与器件接触面通过导热衬垫充分挤压消除空气薄膜热阻，使热量传导充分，模块传热路径为：发热器件→导热衬垫→散热板凸台→散热板(齿)→周围空气。

图2 按热流密度、温升选择冷却方式[4]

图3 散热板凸台结构示意

2.1 理论计算

2.1.1 自然散热

由于该数字模块任意方向上的几何尺寸均小于600 mm，且空气的物性参数在20～200 ℃范围内，可用下列简化公式对自然散热量进行计算：

==25Δ125025

(1)

式中：为热流密度(W/m)；为热流量(W)；为换热面积(m)；为由查表确定的系数；Δ为换热表面与空气的温差(℃)；为自然对流时的特征尺寸(m)。

的数值由格拉晓夫数与普朗特数的乘积确定，其表达式分别为：

(2)

(3)

式中：为体积膨胀系数(1/℃)；为重力加速度(m/s)；为空气运动黏度(m/s)；为空气动力黏度(kg/(m·s))；为空气定压比热(J/(kg·℃))；为空气的导热系数(W/(m·℃))。

数字模块表面的对流换热面积=0.047 m，所以由自然散热散掉的热量=·=219×0047=103 W。

2.1.2 辐射散热

温度升高引起物体内部电子振动和激发，物体将会以电磁波的形式向外发射能量进行辐射散热。单位面积由辐射散掉的热量为：

(4)

式中：为物体的发射率；、为物体及空气的绝对温度，单位K。模块结构件均采用铝合金材料，所有金属表面均经过导电氧化处理，经查表可知表面发射率为0.4，由式(4)可得由辐射散热散掉的热量为:

=·=567×04×

综上，由自然散热和辐射散热散掉的总热量为=+=16 W，大于数字模块总散热功耗。

2.2 仿真分析

根据散热路径分析，散热板结构直接关系到模块整体散热效果，从初始结构出发，对比几种散热板结构形式，以器件温升作为优化目标，并兼顾考虑散热板重量，从而达到最优结构形式。为此，按迭代优化过程、散热板结构形式分别取5种代表结构，如图4所示。

图4 散热板结构(剖面)示意图

图4中各散热板结构参数如表1所列，由于数字板上其他非发热器件尺寸限制，散热齿均在相同尺寸平面区域内均匀对称排布。

表1 散热板结构参数表

利用Icepak热仿真软件对该模块进行仿真分析步骤为：

(1) 建立热分析工程文件，设置包括环境温度、空气流动状态(层流)、辐射模式、求解域等边界条件。

(2) 对SolidWorks创建的三维结构模型进行简化处理，删除螺钉、连接器等无需考虑散热的零件，修复沉孔、螺纹孔、圆角、倒角等不影响散热的结构特征。

(3) 将简化后的三维模型导入Icepak软件，转化为热仿真模型，并对各结构件赋予相应材料(金属结构件均为铝合金6063-T5)、功耗(主发热器件功耗10 W，其他发热器件功耗均小于1 W，按1 W赋值)。

(4) 网格划分与局部网格加密，直至达到既不影响计算效率，又能对核心散热器件、结构件划分较密的状态。

(5) 检查、求解与后处理。分别对(a)～(e)5种模块结构进行仿真分析，分别得到环境温度为+20 ℃和+45 ℃的温度云图如图5～图9所示。

图5 模块结构(a)温度云图

图6 模块结构(b)温度云图

图7 模块结构(c)温度云图

图8 模块结构(d)温度云图

图9 模块结构(e)温度云图

仿真分析设置迭代次数100次，每种结构均在迭代到50～60次时收敛，残差收敛曲线如图10所示。

图10 仿真分析残差收敛曲线

温度云图表明最大温升均处于35～40 ℃内，这与理论计算值吻合，且敏感器件结温均不超过85 ℃。为了便于分析，对以上模块散热及散热板重量结果进行统计，如表2所示。

表2 模块散热及散热板重量数据统计

敏感器件壳温与结温关系满足以下公式：

=+·

(5)

式中：为敏感热器件发热功耗，=10 W；为敏感器件结壳热阻，=0.46 ℃/W。

从以上模块仿真温度及散热板重量统计数据可以得出以下结论：

(1) 对比结构(a)与(b)：由初始无散热齿到有散热齿，散热板重量几乎不变，但敏感器件结温下降，故结构(b)优于结构(a);

(2) 对比结构(b)与(c)：增加散热齿数，散热板重量增加，但敏感器件结温几乎不变，故结构(b)优于结构(c)；

(3) 对比结构(b)与(d)：成倍加深散热齿深度，“似乎”增加了散热面积，但以散热板重量增加为代价并没有换来敏感器件结温明显下降，故结构(b)综合考量优于结构(d)；

(4) 对比结构(b)与(e)：减少散热齿齿数增大齿间隙，散热板重量几乎不变，敏感器件结温几乎相同，需再进行力学分析比较，由于该模块实际使用环境振动要求较低，故结构(b)与结构(e)可视作等效结构。

根据以上优化设计过程可推测：散热齿深度设计成近似基板厚度，可降低模块温升，而当散热齿布置区域面积一定时，增加或减少散热齿齿数、厚度、间隙等参数对模块温升影响较小。

综上，本文选择结构(b)作为最终结构形式，并按该结构形式加工组装了数字模块，成功应用于工程实际，如图11所示。

图11 数字模块实物

3 结束语

本文详细阐述了数字模块结构及散热的设计过程，通过对几种结构形式仿真计算结果对比，确定了一种最优结构形式。该模块结构既能满足子器件温度要求，同时也实现了重量相对较轻的目标，而且该结构形式可靠，外形美观，为同类型其他模块设计提供了设计依据。