引言
微型化､多密度和高功率是当今电子设备的主流发展趋势,但这势必会带来热量的集聚,若不能及时导出热量,极易产生过热现象,降低产品可靠性｡研究表明电子设备的失效有55%是热失效,因此,热设计已成为电子设备结构设计中的必要环节｡目前强迫风冷加翅片散热是业界普遍采用的散热技术,但传统散热计算较为复杂,而采用ICEPAK软件辅助热设计,不仅切实可行,而且可大幅减少计算量,缩短设计周期,降低研发成本｡
本文以某型号强迫风冷散热的信号处理系统为例,借助ICEPAK软件对系统进行热分析,根据热分析结果优化散热器结构,并以此研究散热器的尺寸设计参数对其散热性能的影响趋势｡
1问题描述
某型号信号处理系统的PCB板结构分子板和载板上下2层,2层PCB板之间通过插接连接｡板面上聚集高密度､高功耗功率芯片,其中载板上的FPGA_zaiban和子板上的FPGA_ziban两片芯片为温控重点｡
考虑结构紧凑及制造成本,设计采用强迫风冷散热方式｡风冷散热中散热器设计至关重要,文中因各功率芯片高度不一,因此需在翅片散热器非翅片面增设不同高度的散热凸台辅助导热,散热凸台与功率芯片之间通过导热硅胶压接处理｡鉴于产品可能遇到的极端环境或场合,设计环境温度为40℃,在工作过程中主要电子元器件的最高温度要求不高于100℃｡主要计算模型参数如下:
1) 机箱壳体材料为AL5A06-O态铝合金;
2) 散热器材质为AL6063-T5态铝合金,导热系数为180W/(m·K);
3) 载板基板材料为FR4,板上需控温元器件共34个,总发热功耗为95W;
4) 子板基板材料为FR4,板上需控温元器件共15个,总发热功耗为45W｡
2热仿真分析
2.1物理模型
某型号信号处理系统机箱的外形尺寸为370mm(长)×205mm(宽)×74mm(高)｡为了满足散热需求,强迫风冷采用2个Delta公司的AFB0624EH-AF00型轴流风机,风机尺寸为60mm×60mm×25.4mm,送风方式为吹风,风速流向与内部散热器翅片风道方向一致｡轴流风机固定在机箱宽度方向内侧壁,与散热器翅片方向垂直,其P-Q特性曲线如图1所示｡
受机箱结构和空间尺寸限制,散热器的基本尺寸为277mm(长)×176mm(宽),初始设计时对散热器相关尺寸设计参数分别赋予初始值,其中初始基板厚度为5mm,翅片高度为25mm,翅片厚度为1.4mm,翅片间距为3.6mm｡
借助热仿真软件ICEPAK模型库中自带的Cabi-net模块创建计算域;使用Block模块创建机箱壳体;使用PCB模块创建载板和子板;使用Source模块创建发热元器件热模型;使用HeatSink模块创建散热器结构;使用Plate模块模拟功率芯片和散热器之间的导热硅脂,导热硅脂厚0.6mm,导热系数为5W/(m·K);利用Fan模块创建风机,风机的P-Q性能工作曲线如图1所示;利用Grille模块创建出风口｡各功能模块建立完成后通过Assembly将以上模块组合成装配体,形成如图2所示的仿真计算模型｡
2.2网格划分及工况
物理模型类似方体结构,设计采用ICEPAK提供的结构化网格HexaCartesian做网格划分处理,方便计算｡分网后得到539904个网格单元,565455个节点｡网格质量检查结果的Facealignment项范围为0.88729~1,Volume项范围为3.5866E-12~7.212E-6,Skewness项范围为0.696~1,满足后续仿真计算精度要求｡
初始工况设定环境温度AmbientTemperature为40℃,加载重力加速度,设置迭代步数为500,采用零方程(Zeroequation)湍流模型求解计算Flow和Tem-perature变量｡
2.3仿真结果分析
针对初始设计的散热器模拟计算后其系统的温度分布云图如图3所示｡由图3可知,系统内部最高温升为82.03℃,系统温升远小于电子元器件的最高耐热温度100℃,系统热设计裕量较为宽裕｡
本文依据仿真结果,在满足系统散热性能的前提下,适当减小热设计裕量用于优化散热器结构布局,以实现系统最佳散热效果及散热器结构轻量化设计｡为此,本文以散热器基板厚度､翅片高度､翅片厚度和翅片间距为散热器尺寸设计参数,在保证仿真计算过程中散热器散热凸台与发热元器件接触面积不变的情况下,通过改变以上单一尺寸设计参数来研究其对散热器散热性能的影响｡本文拟定的散热器各尺寸设计参数值见表1｡
3散热器结构热设计
3.1基板厚度
以基板厚度为单一可变参数,假定其余3项参数保持不变,模拟计算基板厚度从2mm逐一增加至6mm时对散热器散热性能的影响｡根据仿真结果得出如图4所示的系统温升曲线｡
研究表明,在此仿真假定条件下,系统温升随基板厚度增加而逐渐增高,可见其散热效果随基板厚度的增加呈现降低趋势｡因此,散热器设计时应适当降低基板厚度以保证其散热效果｡
3.2翅片厚度与翅片间距
以翅片厚度为单一可变参数,假定其余3项参数保持不变,模拟计算翅片厚度从2mm逐一增加至6mm时对散热器散热性能的影响｡同理,在做翅片间距计算时,以翅片间距为单一可变参数,假定其余3项参数保持不变,模拟翅片间距从4mm逐一增加至8mm时对散热器散热性能的影响｡根据仿真结果得出如图5所示的各参数与系统温升的对应曲线｡
研究表明,在此仿真假定条件下,随着翅片厚度和翅片间距的加大,系统温升均逐渐增加｡可见散热效果随翅片厚度和翅片间距的增加均呈现降低趋势｡设计时在满足散热性能的前提下,可优选低参数值｡
3.3翅片高度
以翅片高度为单一可变参数,假定其余3项参数保持不变,模拟计算翅片厚度从20mm间断增加至28mm时对散热器散热性能的影响｡根据仿真结果得出系统温升与翅片高度对应曲线,如图6所示｡
研究表明,随着翅片高度的增加,温升逐渐降低｡可见翅片高度的增加可增强散热器散热性能｡设计时翅片高度可适当选择高参数值｡
需要说明的是,在实际设计散热器结构时,还需根据结构强度､加工难易度､材料重量等综合指标来选择合适的散热器尺寸设计参数,而不可盲目选择极限参数值｡
4实验验证
根据以上仿真结果,结合实际使用情况,选用基板厚度3mm､翅片厚度2mm､翅片间距4mm和翅片高度22mm的优选尺寸设计参数来设计散热器结构｡
对该结构进行再仿真确认,仿真结果的温度分布云图如图7所示｡由此可见,优化散热器结构后,系统最高温升为84.297℃,较原始散热器结构设计温升提高了2.267℃,但仍可满足系统芯片最高耐热温度要求｡虽然优化后散热器的散热性能略微降低,但优化后的散热器整体重量降低了10%,对实现轻量化设计具有明显优势｡
为了验证热仿真设计的准确性与可靠性,本文借助高低温实验箱模拟环境条件,通过监控载板和子板上主芯片FPGA的实际温度变化(FPGA位置见图2),并对比仿真数据,确认仿真计算的准确性与可靠性｡
通过数据处理获得仿真与实验状态下载板和子板的FPGA温度变对比曲线,如图8所示｡对比数据发现,在实验状态下,载板和子板的实测FPGA温度分别为55.5℃和59.3℃,而在仿真状态下,载板和子板的FPGA温度分别为57.15℃和60.08℃｡计算得出载板FPGA温度的仿真结果与实际误差约为3%,而子板FPGA温度的仿真结果与实际误差约为1.3%,均在工程误差允许范围之内,说明仿真数据与试验结果比较一致｡
5结束语
研究得出风冷散热器中基板厚度､翅片高度､翅片厚度和翅片间距等尺寸设计参数对其散热效果的影响趋势｡结果表明:随着基板厚度､翅片厚度和翅片间距的增大,风冷散热器的散热效果均呈现降低趋势,系统温升逐步提高;随着翅片高度的增加,散热器的散热效果呈现增强趋势,系统温升逐渐降低｡针对特定条件下的散热器,根据仿真结果可设计最佳的散热器结构布局,且设计优化后,在满足散热性能的前提下,散热器整体减重可达10%,轻量化设计优势明显｡
通过高低温实验得出载板和子板的FPGA实际温度与仿真结果误差分别为3%和1.3%,均在工程误差允许范围之内,说明仿真数据与实验结果较为吻合,由此验证了ICEPAK软件在电子设备散热设计方面的准确性与可靠性｡
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