某电子设备热控系统的设计

祝起凡，段　军，杨芳红

(西安电子工程研究所 微波工程事业部，陕西 西安 710100)



某电子设备热控系统的设计

祝起凡，段军，杨芳红

(西安电子工程研究所 微波工程事业部，陕西 西安 710100)

为解决电子设备的散热问题，对某电子设备的热控系统进行了设计，采取了加导热片、填充导热填料等高可靠性导热方式进行散热，并在HyperMesh软件中建立了有限元模型，通过Patran/Nastran软件进行了仿真计算。计算结果表明，采取热控措施后印制板及元器件温度降低，且分布更加均匀，验证了热控系统设计的合理性。

电子设备；热控系统；有限元；仿真分析

电子设备中电子元器件占有较大比重。随着需求水平的不断提高，电子设备正向着高性能、紧凑化、小型化的方向发展, 而另一方面，电子器件的性能越高，其功率消耗也越高，电子设备的结构越小越紧凑，则需要将电子元件集中在很小的区域内，从而导致热流密度急剧增加，使得电子器件散热更加困难。所以，必须对电子器件及设备的高效冷却和热控制技术提出更高的要求[1-3]。

如果电子设备的热控措施达不到要求，元器件将处于较高的温度下，从而导致元器件失效或损坏。此外，电子设备的热控措施不到位，会导致设备内部温度分布不均，电子元器件内部将产生热应力，从而导致变形，进一步造成电子元器件的疲劳损坏、断裂或永久变形，严重影响了电子设备的工作可靠性等各方面性能[4-7]。

对电子设备进行热设计就是利用热量的传递特性，在充分掌握各电子元器件热失效参数的前提下，通过优化热流通路，降低电子设备与散热环境之间的热阻，并提供一个温度比较低的散热器，以较少的冷却代价把设备内部的有害热量尽可能释放掉，使设备在其所处环境条件下，保持在可靠性要求所规定的温度范围之内，确保设备可靠、安全地工作。随着电子设备热设计技术的发展，近年来国内逐渐认识到了热设计研究对航空、航天以及军事方面的重要性和迫切性[8-9]。

本文针对某电子设备的工作环境和结构特点，对其热控系统进行了设计，根据采取的热控措施对热控系统进行了仿真分析，得到了较好的结果。

1　热控系统设计

本文研究的电子设备主要由电子元器件、印制板和机箱壳体等组成，电子元器件的发热功率较大。为避免发热器件的热量过于集中，防止电子元器件发生热变形，需要对电子设备进行热控设计。本文主要对电子元器件、印制板和机箱壳体采取的热控措施进行论述。

电子元器件的种类的不同, 其散热面的位置也不一样。有的散热面在元器件底部，有的在元器件顶部。对于散热面位置不同的元器件，其散热措施也不同，但散热原理一样，都是通过在散热面处安装导热片，将元器件与机箱壳体相连接，热量将通过导热片传导至机箱壳体上，最后由机箱壳体传导至仪器安装板进行散热。同时，导热片与元器件以及机箱壳体结合处填充导热填料或导热胶来减小热阻，增强导热效果。对于散热面在底部的元器件，在设计时要注意防止导热片造成电路板短路，一般在连接处嵌入聚四氟乙烯绝缘垫。具体的导热片连接方式如图1和图2所示[10]。

图1　散热面在底部的元器件导热片安装示意图

图2　散热面在顶部的元器件导热片安装示意图

2　电子元器件温度预估

元器件本身的热功耗、工作的热环境以及与周围工作环境的热阻是影响电子元器件温度的主要因素。热功耗是电子元器件在工作过程中产生的热能。电子元器件周边环境温度主要有热传导、对流和辐射边界条件。热传导边界条件主要指电子器件所安装的印制板温度以及印制板所安装的机箱壳体的温度；对流边界条件主要指器件周围空气温度；辐射边界条件主要指器件表面辐射对象，如对应机箱箱壁温度、发射率ε、元器件与箱壁相对位置以及周围发热器件热状态等。

元器件与周围工作环境的热阻是指元器件内部产生的热量向外传递过程中所遇到的阻力。一般为由结点向外传热所遇到的热阻，包括结点到壳体之间、壳体到印制板之间和结点到环境之间的热阻[11-12]。

3　热控系统仿真分析

电子设备热控系统仿真分析，即利用数字仿真技术获得温度及热量分布的方法，它可以使产品在设计阶段就能发现热设计缺陷，从而对产品进行改进和优化。本文利用Patran/Nastran有限元软件对某电子设备热控系统进行仿真分析。

根据设备的尺寸特征在SolidWorks软件中进行三维实体建模，然后将三维模型导入HyperMesh软件中进行有限元网格划分，如图3所示。将网格模型导入Patran软件中，结合设备中热量的传递方式及特点，建立有限元分析模型，各部件的材料参数如表1所示，最后通过Nastran软件进行分析。

图3　某设备热分析有限元网格模型

材料名称应用部位发射率εh导热率/W·(m·K)-1铝合金机箱壳体0.85194铁-镍-钴合金元器件0.188环氧玻璃布印制板0.525

在建立热分析模型的过程中主要考虑以下几点:[13-15](1)将环境温度设置为20 ℃，将设备与安装界面视为热沉，定义温度边界为20 ℃；(2)每块印制板上的热载荷分别按照元器件清单所提供的数据加载到相应部位；(3)忽略电子元器件与周围环境的辐射传热；(4)忽略印制板与壳体之间通过接插件的导热。

根据建立的设备热分析模型，对热控系统进行仿真分析，经热稳态计算得到结果如图4～图7所示。

图4　未采取热控措施时印制板及元器件温度分布图

图5　采取热控措施后印制板及元器件温度分布图

从仿真结果可以看出：未加热控措施时，印制板及元器件温度分布范围为294～335 K，即21～62 ℃，温度梯度分布较为显著；加热控措施后，印制板及元器件温度分布范围为297～308 K，即24～35 ℃，温度梯度分布较为均衡。总体来看，采取热控措施后，电子设备中各电子元器件的工作温度大幅降低，提高了工作可靠性。

图6　未采取热控措施时印制板及元器件温度梯度分布图

图7　采取热控措施后印制板及元器件温度梯度分布图

4　结束语

电子设备热控系统的主要功能是保证内部元器件工作时产生的热量顺利、快速地传递出去，以满足电子设备工作可靠性要求。本文采用传导的散热技术对某电子设备进行热控系统设计，采取了加导热片、填充导热填料等高可靠性的导热方式进行散热，并建立了有限元模型，进行了仿真计算。计算结果表明，采取热控措施后印制板及元器件温度降低且分布更加均匀，验证了热控系统设计的合理性。

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Thermal Control System Design of Electronic Equipment

ZHU Qifan，DUAN Jun，YANG Fanghong

(Microwave Engineering Division,Xi’an Electronic Engineering Research Institute, Xi’an 710100, China)

To solve the problem of cooling electronic equipment, we take the reliable cooling plan of adding thermal slices and thermal conductive fillers to design a thermal control system for an electronic equipment. The finite element model is built by HyperMesh. By simulation of Patran/Nastran, the result shows the thermal of PCB and components gets lower and more uniform after taking measures for thermal control. It verifies the rationality of the design for thermal control system.

electronic equipment; thermal control system; finite element; simulation analysis

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.08.009

2016-06-14

祝起凡(1988-)，男，硕士研究生。研究方向：电子结构设计。

TN702.2

A

1007-7820(2016)08-028-03