通讯设备表面温度的主观感受研究

李　帅，黄祯光，朱永明

(中兴通讯股份有限公司，　广东 深圳 518055)

引　言

目前终端通讯产品(以下简称终端)的体积热流密度达到12 W/L以上，其中CPU的热耗超过了整机热耗的50%；同时由于终端客户的随意性高，致使终端的散热环境复杂多样，导致热设计已经成为主要的设计难题之一[1]。为提高终端的热可靠性，降低芯片结温，众多学者从散热材料、散热结构、热源布局等多角度对终端进行了优化设计，基本满足了终端内部各器件的长期温度规格[2-5]。然而，消费者日益增长的对主观感受的要求，以及日益激烈的市场竞争，为终端的热设计提出了新的要求：提高终端的温度手感。

但是目前通讯产品的热设计，绝大部分以降低内部芯片结温为最终目标，忽略了用户感受。极少数的关于温度手感的研究，均为工程师基于产品开发进行的工程试验，缺乏系统性的模拟、实验数据支撑。因此本文以10位受试者的主观感受为依据，系统地研究了壳体材料、壳体结构以及内部布局对终端外壳的手感指数的影响，可为后续的终端产品热设计提供指导。

1　通讯终端散热路径

常见的通讯终端产品包括终端路由器、电视盒子、会议终端等直接面向消费者的产品，通常采用自然冷却的方式来散热，综合考虑到工业设计、结构设计等，其终端产品较多采用横卧式设计。因此本文选取典型的横卧式某型号终端作为研究对象。该终端三维尺寸最大为160 mm × 115 mm × 40 mm，整机最大热耗为10.2 W，其中CPU热耗为5.0 W。

终端的典型散热路径如图1所示。芯片热量向上传递至散热器，散热器与终端外壳之间通过热对流和热辐射的方式进行换热；芯片热量向下传递至PCB，PCB与外壳之间通过热对流和热辐射的方式进行换热。最终，壳体通过热对流和辐射的方式将热量传递至环境空气中。

图1　终端典型散热路径

2　手感指数影响因素研究

2.1　壳体材料对手感指数的影响

为该终端共打样了3种材料的上表面壳体，分别为热镀锌耐指纹板(国标牌号DX51D+Z，以下简称镀锌板)、玻璃以及ABS塑料(以下简称ABS)，厚度均为1.2 mm。3种材料的热物性参数如表1所示。

表1　材料热物性表

测试过程与数据：

(1)测试环境

实测环境温度为25.8 ℃，实测10位受试者手指温度平均为30.3 ℃。

(2)测试最高温确定

工程经验表明，在同样温度下，镀锌板的手感指数要差于玻璃板，差于ABS，因此将镀锌板温度加热至50 ℃，同时将玻璃从50 ℃逐渐升温，升至55 ℃时，受众主观感受两者温度基本相同；同样的，将ABS从55 ℃逐渐升温，升至65 ℃时，受众主观感受两者温度基本相同。

(3)手感指数评分

将50 ℃的镀锌板的烫感描述设定为6，将30 ℃的镀锌板烫感描述定为0(此时基本无热量交换，即无烫感)。以5 ℃为梯度设定6片镀锌板材料的温度，请受试者为这6片样品的烫感评分。

将玻璃以5 ℃的梯度设定8片，请受试者为这8片样品的烫感评分。

将ABS以5 ℃的梯度设定9片，请受试者为这9片样品的烫感评分。

规定手感指数=6-烫感程度，求取10位受试者的平均值后得到的3种壳体的手感指数如表2所示。感受最差的手感指数为0。

表2　3种壳体的手感指数

从表2中分析可知：相同温度下，3种材料壳体的手感指数：ABS>玻璃>镀锌板；在相同的手感指数下，不同材料的壳体温度不同。例如当手感指数=2时，3种材料的表面温度分别为45 ℃，55 ℃，62 ℃。

为了进一步量化上述主观测试结果，我们使用热流计测量了在不同温度时，3种材料与手指之间的热流密度，测试过程如下：

(1)将镀锌板加热至45 ℃，将受试者的手指压在热流计探头上，同时将探头压在镀锌板上，维持约4 s，记录热流密度的变化。为保证每位受试者手指界面压力均匀，我们采用手托壳体的方式进行测量；

(2)镀锌板的温度加热至50 ℃、55 ℃，重复第(1)步；

(3)将镀锌板换为玻璃、ABS，重复第(1)、(2)步。

测试仪器为HFM-4热流计，图2为热流计探头，探头厚度0.4 mm，标称热阻为1.5×10-4K/W。

图2　HFM-4热流计探头

图3为3种材料的热流密度，横轴为记录时间点，纵轴为热流密度。

图3　3种材料的热流密度

从图中分析可知：指压壳体材料时，热流密度随时间逐渐减小；45 ℃的镀锌板曲线与55 ℃的ABS曲线比较接近，证明在接触到材料的初期，45 ℃的镀锌板与55 ℃的ABS的手感较近；同样的，50 ℃镀锌板与55 ℃玻璃的曲线较为接近，证明在接触到材料的初期，50 ℃镀锌板与55 ℃玻璃的手感较近。

由于热流计探头有一定的热阻和热容，所以会对接触初期的真实热流有一定影响，使得3种材料的热流趋于相同，所以图3的热流密度与表1的手感指数的趋势存在客观的误差。

因此，在满足内部器件热可靠性的基础上，从手感指数的角度出发，材料选取的优先级为：ABS>玻璃>镀锌板。在同样的手感指数下，ABS与镀锌板之间最大可能有15 ℃的温差，因此需要对此进行慎重考虑。

2.2　壳体结构对手感指数的影响

为了研究不同壳体结构对手感指数的影响，我们针对上述终端的同一种材料(ABS)打样了3个外壳(4种表面结构)来进行分析。

其中A为开通孔结构，表面设有凹凸结构；B为盲孔设计，表面设有凹凸结构；C为平面开孔；D为平面结构。

在25 ℃的环境下，将3个终端同时放在木质桌面上，10名受试人员分别为4个区域手感进行排序，并分别得到0、1、2、3分的手感指数分值(因主观感受复杂，所以该处未与章节2.1中的手感指数做统一化处理，故不能直接对比两章节中的手感指数)，得到的结果如表3。

表3　4种壳体结构的手感指数

由表3可知：在相同的测试条件下，结构A的表面平均温度最高，其次为C、D、B；在测试温度下，综合表面温度与表面结构的作用，各表面的手感指数为：A>B>C>D。

所以在满足内部器件热可靠性要求的前提下，壳体结构的设计优先级为：凹凸通孔>凹凸盲孔>平面通孔>平面无孔。

2.3　内部布局对手感指数的影响

另一方面，可以通过内部电子器件的布局、内部的结构来降低壳体的局部温度，从而提高壳体的整体手感指数。

2.3.1单板倒扣安装

利用仿真的手段，对内部PCB板的正反装进行了分析。分析软件为电子器件热设计的商业软件Flotherm，仿真参数列于表4中。图4为正装和倒装的热仿真模型，图中g表示重力参与计算并表征了重力方向。

表4　热仿真参数

图4　热仿真模型

由仿真结果可知，将PCB倒扣之后，上表面最高温度由原来的59.7 ℃降至51.7 ℃，降低8 ℃。结合表2进行插值计算，手感指数提高了0.9。

2.3.2壳体均温板

壳体出现局部热点会导致整机手感迅速下降，因此将整机外壳进行均温也是提高手感指数的有效途径。以ABS终端外壳为例，进行上壳均温试验。图5(a)为终端内部照片，图5(b)为上壳体贴附铝板。其中铝板厚度为0.5 mm，面积为散热器面积的2.5倍，铝板与外壳间隙为1～2 mm。

图5　终端内部以及壳体的均温铝板

先后对有无均热板的终端进行对比测试，使用红外热像仪对外壳进行测温，最终结果表明，在保持其他条件一致的情况下，在上壳体上贴附铝均温板，可以将上壳的最高温度由70.3 ℃降为62.0 ℃。结合表2进行插值计算，手感指数提高了2.4。

3　结束语

本文对通讯终端壳体的温度手感进行了系统研究，量化了壳体材料、壳体结构以及内部布局对壳体手感指数的影响。相同温度下，不同材料的手感指数排序为：ABS>玻璃>镀锌板；不同结构的排序为：凹凸通孔>凹凸盲孔>平面通孔>平面无孔。同时通过优化内部布局以及对壳体进行均温等措施，也可以提高手感指数。并提出了提高手感指数的改进措施，对终端设备的热设计工作具有借鉴意义。

本研究课题中的手感指数为研究团队首创，但是鉴于不同研究体系的主观感受难以横向比较，所以未将不同研究章节的手感指数进行归一化处理。建议后续的研究将上述不同体系的研究内容进行更加系统的研究，归一化处理之后对实际产品设计更具参考意义。

参考文献

[1]吕永超, 杨双根. 电子设备热分析、热设计及热测试技术综述及最新进展[J]. 电子机械工程, 2007, 23(1): 5-10.

[2]张宇. 加固显控终端散热设计[J]. 电子机械工程, 2016, 32(2): 31-34.

[3]鹿博, 龚振兴. 超薄热管在电路板上的应用分析[J]. 工业控制计算机, 2015, 28(8): 165-166.

[4]尹辉斌, 郭晓娟, 高学龙. 相变温控在电子器件热控制中的应用进展[J]. 广东化工, 2014, 41(1): 75-76.

[5]SALAMON T R. Challenges and opportunities for thermal management of information and communication technologies equipment: a telecommunications perspective[J]. IEEE Transaction on Components, Packaging and Manufacturing Technology, 2017, 7(8): 1212-1227.