白秀茹

(信息產(chǎn)業(yè)部電子第五十四研究所,河北 石家莊050002)


    摘  要:通過對一種典型的密封機箱在嚴(yán)酷環(huán)境條件下使用時的設(shè)計實踐,闡述了結(jié)構(gòu)熱設(shè)計中的設(shè)計思想及一些具體散熱結(jié)構(gòu),同時應(yīng)用較先進的熱分析軟件進行結(jié)構(gòu)熱設(shè)計驗證與優(yōu)化.
    關(guān)鍵詞:熱設(shè)計;密封機箱;導(dǎo)熱板  


    熱設(shè)計在無線電結(jié)構(gòu)設(shè)計中占有重要地位,實踐表明,電子元件的故障率隨元件溫度的升高呈指數(shù)關(guān)系而增加,電子設(shè)備線路的性能則與溫度的變化成反比.對于環(huán)境條件較為苛刻情況下的熱設(shè)計更需精心分析與計算.這里,就某工程用密封機箱的設(shè)計與同行共榷.
    電子設(shè)備的冷卻方法取決于設(shè)備總的熱損耗及其集中程度、元件(或設(shè)備)的允許溫度以及元件(或設(shè)備)的環(huán)境溫度等.選擇合適的冷卻方法需視具體情況而定.某設(shè)備應(yīng)用環(huán)境較為苛刻,屬背負攜行、野外工作無人職守設(shè)備.要求小型化、重量輕、防雨、抗高低溫、耐濕熱、高強度.以下為某設(shè)備技術(shù)指標(biāo)摘錄:
    工作溫度:-25℃~+55℃
    振動:正弦波5~55~5Hz, 加速度幅值1.5g
    顛振:15g
    濕度:95±3%(環(huán)境溫度:30℃±2℃ )
    重量<25kg
    分析以上指標(biāo),該設(shè)備為長期工作環(huán)境濕度過大的野外設(shè)備,這就決定了本機箱為全密封機箱.而箱內(nèi)有電源、CPU等高熱器件,故此機箱的熱設(shè)計成為設(shè)備能否正常工作的關(guān)鍵.在設(shè)計論證過程中首先否定了機箱外安裝風(fēng)扇的方案,雖然強迫風(fēng)冷可較迅速帶走機殼表面熱量,但安裝風(fēng)扇必將提高電源輸出功率、增加了熱耗,更主要原因是高熱、高濕環(huán)境無法保證風(fēng)扇正常工作.由此可設(shè)定本機箱散熱設(shè)計以傳導(dǎo)散熱為主.
    從此入手,可確定各設(shè)計環(huán)節(jié):
    ·PCB優(yōu)化設(shè)計.在完成功能前提下,元器件布局合理,利于耗散熱均勻散出,并利于采取結(jié)構(gòu)散熱措施.
    ·導(dǎo)熱板設(shè)計.一端與發(fā)熱器件緊密接觸,另一端與機箱壁緊密接觸.實現(xiàn)兩級傳導(dǎo)散熱:發(fā)熱元件→導(dǎo)熱板→箱壁.
    ·機箱外殼散熱設(shè)計.
1 PCB板設(shè)計
    線路設(shè)計人員按照第一條原則進行PCB優(yōu)化設(shè)計.首先選擇耐高溫性能較好的工業(yè)級以上器件.為便于結(jié)構(gòu)上采取散熱措施,關(guān)鍵在于元器件布局整齊,成行排列.中心布設(shè)熱損耗小器件,外圍布設(shè)熱損耗相對較大器件.多采用雙列直插器件.做好這一點即為總體熱設(shè)計打下了良好的基礎(chǔ).
2 導(dǎo)熱板設(shè)計
    導(dǎo)熱板選擇熱傳導(dǎo)系數(shù)較大的紫銅板.一般芯片管腳處發(fā)熱較大,對于排列整齊的雙列直插器件,可將器件管腳穿過導(dǎo)熱板,而器件底面緊貼在附有絕緣膜的導(dǎo)熱板表面.示意圖如圖1所



有些器件是TGA、PLCC封裝形式,四面管腳,不能采用圖1所示底部貼緊散熱形式.如CPU是主要的散熱元件,必須采用有效地散熱措施.這時可在導(dǎo)熱板上開方孔讓出器件,在器件頂面壓一塊小導(dǎo)熱板,小導(dǎo)熱板再將熱量導(dǎo)向PCB導(dǎo)熱板.為使器件與小導(dǎo)熱板、小導(dǎo)熱板與PCB導(dǎo)熱板之間接觸良好,提高導(dǎo)熱效率,在接觸面上應(yīng)涂絕緣導(dǎo)熱脂或墊一層絕緣導(dǎo)熱橡膠板.采取以上措施可保證PCB導(dǎo)熱板與器件端的緊密接觸.
    為使另一端導(dǎo)熱板與機箱壁緊密接觸,PCB導(dǎo)熱板與機箱壁之間的連接采用楔形壓緊機構(gòu),如圖2所示.
    這種結(jié)構(gòu)形式適用于散熱器件較集中,熱耗散功率較大的PCB板.對于本設(shè)備因有重量輕的要求,而紫銅板密度較大,故對熱耗散功率較小的PCB板可對個別器件進行局部導(dǎo)熱.形式與CPU散熱類似.
    設(shè)備中還用到幾塊電源模塊,在箱壁無開孔、導(dǎo)軌槽等結(jié)構(gòu)的平面處,充分利用機箱壁,將電源模塊與箱壁貼緊安裝,這樣一方面導(dǎo)熱面積大,減少中間導(dǎo)熱環(huán)節(jié),可有效減小熱阻,提高散熱效率,還能充
有些器件是TGA、PLCC封裝形式,四面管腳,不能采用圖1所示底部貼緊散熱形式.如CPU是主要的散熱元件,必須采用有效地散熱措施.這時可在導(dǎo)熱板上開方孔讓出器件,在器件頂面壓一塊小導(dǎo)熱板,小導(dǎo)熱板再將熱量導(dǎo)向PCB導(dǎo)熱板.為使器件與小導(dǎo)熱板、小導(dǎo)熱板與PCB導(dǎo)熱板之間接觸良好,提高導(dǎo)熱效率,在接觸面上應(yīng)涂絕緣導(dǎo)熱脂或墊一層絕緣導(dǎo)熱橡膠板.采取以上措施可保證PCB導(dǎo)熱板與器件端的緊密接觸.
    為使另一端導(dǎo)熱板與機箱壁緊密接觸,PCB導(dǎo)熱板與機箱壁之間的連接采用楔形壓緊機構(gòu),如圖2所示.
    這種結(jié)構(gòu)形式適用于散熱器件較集中,熱耗散功率較大的PCB板.對于本設(shè)備因有重量輕的要求,而紫銅板密度較大,故對熱耗散功率較小的PCB板可對個別器件進行局部導(dǎo)熱.形式與CPU散熱類似.
    設(shè)備中還用到幾塊電源模塊,在箱壁無開孔、導(dǎo)軌槽等結(jié)構(gòu)的平面處,充分利用機箱壁,將電源模塊與箱壁貼緊安裝,這樣一方面導(dǎo)熱面積大,減少中間導(dǎo)熱環(huán)節(jié),可有效減小熱阻,提高散熱效率,還能充分利用空間,減小機箱體積.



根據(jù)以上要素進行建模:
    (1)機箱內(nèi)部以傳導(dǎo)散熱為主,機箱外同時考慮對流與輻射兩種熱傳導(dǎo)方式,其中環(huán)境輻射溫度設(shè)為55℃.
    (2)關(guān)鍵板(如PCB3、PCB4)進行芯片級建模,其余板進行板級建模;
    (3)PCB3采用管腳導(dǎo)熱和個別器件表面導(dǎo)熱兩種方式,PCB4采用器件表面導(dǎo)熱方式,電源模塊底面貼壁散熱.
    通過計算,得到較理想的溫度分布云圖,如圖4所示,對關(guān)鍵器件進行模擬監(jiān)測,該器件的溫度收斂圖也較理想.以PCB3為例,耗散功率最大的器件(5W、TGA封裝)溫度(器件內(nèi)部溫度,下同)控制在85℃以下,其它器件均在82℃以下.這說明采取的散熱手段有效,可達到使用要求.




軟件模擬過程中,發(fā)現(xiàn)導(dǎo)熱板材質(zhì)、厚度、接觸面積對器件散熱有明顯影響,優(yōu)化導(dǎo)熱板設(shè)計可明顯降低器件溫度.
    分析軟件作為輔助設(shè)計手段可用來驗證設(shè)計效果,同時當(dāng)達不到設(shè)計要求時還可提供相應(yīng)的優(yōu)化措施.

參考文獻

1 電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計原理. 江蘇科學(xué)技術(shù)出版社,1981
2 便攜式密閉箱體的自然對流散熱分析. Flomerics技術(shù)支持




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