基于SolidWorks Simulation的主板散热设计

马建章，何新文

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

0 引言

主板处理器正朝着小型化、集成化和高功耗化的趋势发展，相对的单位体积内所发出的热量越来越高，主板散热问题也愈来愈突出并受到重视[1]。散热性是电子设备的重要指标，传统热设计中，设计师依靠经验设计样机，并通过试验和测试发现设计问题和缺点，造成人力、物力和财力的浪费和漫长的研制周期[2]。热仿真软件可以使设计师在设计阶段评估设备散热性能、改进薄弱环节。Simulation是SolidWorks公司开发的一种有限元分析工具软件，它作为嵌入式分析软件与SolidWorks无缝集成[3]，可进行应力计算分析、线性与非线性分析、热设计与分析、疲劳分析等[4]。本文以某一电子设备主板散热设计分析为例，提出基于SolidWorks Simulation分析的主板传导散热的设计方法。

1 主板散热结构设计

电子通信设备主板的处理器、芯片等大功率器件一般都需要进行散热设计。某通信设备由机箱、主板、通信模块和电源等组成，设备要求工作温度最高为55 ℃。设备主板由控制单元、远传单元和基板3部分组成，其中，控制单元的控制处理器和图像处理器功率分别为22 W和6 W，远传单元的交换处理器功率为6 W。控制处理器功率最大，要求温度不超过91 ℃，因此主要针对控制处理器进行散热设计和分析。主板的结构如图1所示。

设备为密封机箱，采用传导的方式对3个处理器进行散热。综合考虑可靠性、安装性和维修性，将处理器紧贴设备底板，再通过底板的自然对流散热将热量散出去。主板采用厚铝板铣制而成，外表面进行喷漆处理，将主板固定在底板的压铆螺钉上，底板上处理器对应位置设计凸台，使用导热衬垫填充处理器与底板的缝隙。主板安装图如图2所示。

图1 主板结构

图2 主板安装

2 底板的散热设计

使用SolidWorks软件对底板散热进行仿真分析，评估其散热性能是否满足主板需要，并进一步设计底板结构。

2.1 底板散热分析

使用SolidWorks Simulation进行散热分析的具体步骤为[5]：① 创建算例；② 应用材料；③ 施加约束和载荷；④ 划分网格；⑤ 运行分析；⑥ 分析结果。

2.1.1 创建算例，应用材料

在方案设计阶段已经建立了底板、导热衬垫和主板的三维模型，只需要对模型进行简化即可进行分析。简化模型一般是删除不必要的特征，如圆角、孔等；对于装配体简化模型也包括删除不必要的零部件。在此主要考虑底板的散热性能，忽略导热衬垫、主板，计算时将主板处理器的热量赋予底板的相应位置即可。

模型简化后建立新的算例，赋予算例中零件材料参数。底板材料为5A06铝合金，其导热系数为117 W/(m·K)[6]。由于底板的长度和宽度远大于厚度，可以将其视为壳体，忽略厚度方向的尺寸，这样能简化网格，节省计算时间。需要注意的是，施加载荷和约束的点、线、面都要在定义的壳体面上[7]。

2.1.2 施加载荷和约束

根据处理器参数，在底板上处理器对应的位置赋予22 W、6 W、6 W的热量。底板的背面添加对流约束，根据文献[8]给出的公式估算平板空气对流换热系数为3.6 W/(m2·K)。环境温度设定为55 ℃。

2.1.3 划分网格，运行分析

划分网格是将模型分割成有限个单元，网格的大小决定了计算的精确度，网格越小，计算量越大，计算结果越精确[9]。在大多数SolidWorks Simulation分析过程中，默认的网格设置使离散化误差保持在可接受的范围内，同时计算时间比较短。本文使用网格控制工具，对应力集中区域进行网格细化，其他区域采用默认的网格大小。网格划分完成后，右键点击算例，选择运行，进行求解。

2.1.4 分析结果

求解完成后，软件采用云图的方式显示温度。分析结果如图3所示。从温度云图中可以看出，模型的最高温度为100 ℃，最低温度为59 ℃；即处理器的温度为100 ℃，超过要求值。底板的热量比较集中，温差达41 ℃，厚铝板铣制底板的自然对流散热效率比较低，无法满足主板散热要求。

图3 底板散热仿真温度云图

2.2 底板散热改进设计

底板热量集中，为提高散热效率，考虑到成本、加工工艺和加工周期等因素，选择使用热管将热量分散。热管具有优良的导热性、等温性、热响应性、无噪声、无振动和可靠性高等特点[10]。选用中温热管，填充介质为水，管壳材料为铜，采用烧结芯，其换热系数为10 000 W/(m·K)[11]。控制处理器相应位置设计2根热管，图像处理器和交换处理器相应位置各设计1根热管。改进后的底板如图4所示。

图4 改进后底板的结构

在SolidWorks中建立装配体，加入底板和热管的模型，使用SolidWorks Simulation分析，设置热管的导热系数为10 000 W/(m·K)，设置热管与底板接触为接合，运用网格控制，细化热管网格，其他参数不变。分析结果如图5所示。从图5中可以看出，模型最高温度为71 ℃，满足要求。

图5 改进后底板的散热仿真温度云图

3 导热衬垫的选择

在实际中，处理器与底板不可能紧密结合，存在较大的接触热阻，需要在处理器与底板之间加入导热衬垫。导热衬垫可以填满由于不同高度、粗糙表面和加工偏差所造成的空气间隙；其材料柔软，可以吸收应力及撞击力，避免损坏器件；材料两面的粘性使其对接触的表面具有良好湿润性，可减小热阻[12]。导热衬垫具有良好的形状适应性，在设计时，应根据接触面积、散热器的力学性能等选择合适的压缩量[13]。处理器尺寸相对较小，考虑印制板和处理器的材料力学性能，手册建议导电衬垫的压缩量为30%左右。

导热垫的厚度越大，其热阻越大，因此尽量选择较小厚度的导热衬垫。由于在散热器加工和印制板电装存在误差，为保证装配时导电衬垫能达到设计压缩量，一般选择1 mm、1.5 mm、2 mm的导电衬垫。

导热衬垫的热量传导可以简单地看作单层平壁导热，文献[14]给出了单层平壁的稳态导热公式：

(1)

式中，φ为传递的热量；λ为导热系数；A为导热面积；Δt为两侧温差；δ为厚度。

由式(1)可得：

(2)

由式(2)可以看出，导热垫传递的热量φ、导热面积A不变，导热衬垫两侧温差Δt与厚度δ成正比，与导热系数λ成反比[15]，因此尽量选择厚度小、导热系数高的导热衬垫。

当环境温度为55 ℃时，要求处理器温度不超过90 ℃，即处理器与环境的温差不大于30 ℃。根据经验和仿真结果，假设底板与环境的温度差为16 ℃，则导热衬垫两侧的温度差不大于19 ℃。选择厚度为1mm的导热衬垫，压缩以后的厚度为0.7mm，计算导热系数：

通常用的高效导热衬垫的导热系数为：4 W/(m·K)、7 W/(m·K)、11 W/(m·K)等。导热材料与处理器和底板间的空气介质不能完全被消除[16]，实际中导热衬垫的热阻大于理论值；同时，考虑到加工误差、理论值与实际值的误差，选择导热系数为7 W/(m·K)的导热衬垫。

在底板和热管的模型中加入导热衬垫，设置全局接触为接合，细化导热衬垫网格；在导热衬垫表面赋予相应的热量，其他参数不变，使用SolidWorks Simulation进行分析，分析结果如图6所示。从图6中可以看出，处理器最高温度为81 ℃。

按照改进后的方案研制样机进行测试，在环境温度为55 ℃，开机1 h后，测量处理器温度为83 ℃，与仿真基本相符，满足设计要求。

图6 主板散热仿真温度云图(环境温度55 ℃)

4 结束语

设备散热设计不能仅仅依靠经验，散热设计是一项系统工程。设备散热系统设计前应首先获得热源、使用环境和设备环境适应性要求等资料、参数，在此基础上再进行计算或仿真分析，同时还应考虑加工工艺、加工误差、材料成本和散热方式等因素，综合以上因素，选择适合的散热方式、散热器和导热材料等。在散热设计中使用SolidWorks Simulation软件进行仿真分析，能快速得到相应的计算和分析结果，从而极大地缩短产品的设计周期，降低试验成本，提高产品质量，值得在结构设计中推广应用[17]。

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