典型的密封式电子设备结构热设计研究。
白秀茹(信息产业部电子第五十四研究所，河北石家庄)
摘要：通过对一种典型的密封机箱在严酷环境条件下使用时的设计实践，阐述了结构热设计中的设计思想及一些具体散热结构，同时应用较先进的热分析软件进行结构热设计验证与优化。
关键词：热设计；密封机箱；导热板
中图分类号：TGI56 文献标识码：B 文章编号：1OO8—5300(2002)04-0036-03
Therm al Design for a Typical Sealed Electronic Equipment Cabinet Bai Xiuru
(The 54th Research Institute of Electronics in M II，Shijiazhuang 050002，China)
Abstract：Through design practice of a typical sealed cabinent used under harsh environmental conditions，the design ideas and several specific cooling methods in structure thermal design are described．M eanwhile，verification and optim ization by applying advanced thermal modeling software were carried out．
Key Words：Thermal design；Sealed cabinet；Heat conducting plate
热设计在无线电结构设计中占有重要地位，实践表明，电子元件的故障率随元件温度的升高呈指数关系而增加，电子设备线路的性能则与温度的变化成反比。对于环境条件较为苛刻情况下的热设计更需精心分析与计算。这里，就某工程用密封机箱的设计与同行共榷。
电子设备的冷却方法取决于设备总的热损耗及其集中程度、元件(或设备)的允许温度以及元件(或设备)的环境温度等。选择合适的冷却方法需视具体情况而定。某设备应用环境较为苛刻，属背负携行、野外工作无人职守设备。要求小型化、重量轻、防雨、抗高低温、耐湿热、高强度。以下为某设备技术指标摘录：
工作温度：一25℃ ～+55℃
振 动：正弦波5～5 5～5 Hz，加速度幅值1．5g
颠 振：15g
湿 度：95±3 0A(环境温度：30℃±2℃ )
重 量<25kg
分析以上指标，该设备为长期工作环境湿度过大的野外设备，这就决定了本机箱为全密封机箱。而箱内有电源、CPU 等高热器件，故此机箱的热设计成为设备能否正常工作的关键。在设计论证过程中首先否定了机箱外安装风扇的方案，虽然强迫风冷可较迅速带走机壳表面热量，但安装风扇必将提高电源输出功率、增加了热耗，更主要原因是高热、高湿环境无法保证风扇正常工作。由此可设定本机箱散热设计以传导散热为主。
从此人手，可确定各设计环节：
· PCB优化设计。在完成功能前提下，元器件布局合理，利于耗散热均匀散出，并利于采取结构散热措施。
· 导热板设计。一端与发热器件紧密接触，另一端与机箱壁紧密接触。实现两级传导散热：发热元件一导热板一箱壁。
· 机箱外壳散热设计。热设计 https://www.resheji.com
1 PCB板设计
线路设计人员按照第一条原则进行PCB优化设计。首先选择耐高温性能较好的工业级以上器件。为便于结构上采取散热措施，关键在于元器件布局整齐，成行排列。中心布设热损耗小器件，外围布设热损耗相对较大器件。多采用双列直插器件。
有些器件是TGA、PLCC封装形式，四面管脚，不能采用图1所示底部贴紧散热形式。如CPU 是主要的散热元件，必须采用有效地散热措施。这时可在导热板上开方孔让出器件，在器件顶面压一块小导热板，小导热板再将热量导向PCB导热板。为使器件与小导热板、小导热板与PCB导热板之间接触良好，提高导热效率，在接触面上应涂绝缘导热脂或垫一层绝缘导热橡胶板。采取以上措施可保证PCB导热板与器件端的紧密接触。
为使另一端导热板与机箱壁紧密接触，PCB导热板与机箱壁之间的连接采用楔形压紧机构，如图2所示。
这种结构形式适用于散热器件较集中，热耗散功率较大的PCB板。对于本设备因有重量轻的要求，而紫铜板密度较大，故对热耗散功率较小的PCB板可对个别器件进行局部导热。形式与CPU散热类似。
做好这一点即为总体热设计打下了良好的基础。
2 导热板设计
导热板选择热传导系数较大的紫铜板。一般芯片管脚处发热较大，对于排列整齐的双列直插器件，可将器件管脚穿过导热板，而器件底面紧贴在附有绝缘膜的导热板表面。示意图如图l所示。
设备中还用到几块电源模块，在箱壁无开孔、导轨槽等结构的平面处，充分利用机箱壁，将电源模块与箱壁贴紧安装，这样一方面导热面积大，减少中间导热环节，可有效减小热阻，提高散热效率，还能充分利用空间，减小机箱体积。
3 机箱外壳散热设计
机箱内的热量是通过机箱壁与外界进行热交换的，为使热量尽量多的散到空气中，只能通过增大散热面积来实现。故在四侧壁均加工成板翅散热器形状，同时兼顾重量不得超重。
4 热分析
整个设备设计完成后，用FLOTHERM 热分析软件对该设备进行结构热设计分析与验证。首先建立设备模型，问题描述如下：
(1) 密封铝制机箱外形尺寸：432mm ×276m m × 242mm ；
(2) 内部安装9块PCB板，4块电源模块。热耗散功率设置如图3所示；
(3) 最大发热器件耗散功率为5w (位于PCB5上)；
(4) 器件最大允许温度为85℃ ；
(5) 工作环境温度为55℃ 。
根据以上要素进行建模：
(1) 机箱内部以传导散热为主，机箱外同时考虑对流与辐射两种热传导方式，其中环境辐射温度设为55℃ 。
(2) 关键板(如PCB3、PCB4)进行芯片级建模，其余板进行板级建模；
(3) PCB3采用管脚导热和个别器件表面导热两种方式，PCB4采用器件表面导热方式，电源模块底面贴壁散热。
通过计算，得到较理想的温度分布云图，如图4所示，对关键器件进行模拟监测，该器件的温度收敛图也较理想。以PCB3为例，耗散功率最大的器件(5w、TGA 封装)温度(器件内部温度，下同)控制在85℃以下，其它器件均在82℃ 以下。这说明采取的散热手段有效，可达到使用要求。
软件模拟过程中，发现导热板材质、厚度、接触面积对器件散热有明显影响，优化导热板设计可明显降低器件温度。
分析软件作为辅助设计手段可用来验证设计效果，同时当达不到设计要求时还可提供相应的优化措施。
参考文献
1 电子设备结构设计原理．江苏科学技术出版社，19812 便携式密闭箱体的自然对流散热分析．Flomerics技术支持
作者简介：白秀茹，女，工程师，1991年至今一直从事电子设备结构设计工作，参与或主管过的课题涉及情报处理设备、电子侦察对抗设备、雷达设备等。
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