热设计在光电产品上的应用

田 也

（凯迈（洛阳）测控有限公司，河南 洛阳 471000）

目前，电子设备工业正处于高速发展阶段，其产品的应用已经遍布各个领域，并在发展过程中取得了很多优异的成果，尤其是硅集成电路的问世和半导体晶体管制造技术的快速发展，得以将更多的晶体管集成到单一的芯片内，使得单芯片的热功率变得越来越大。

近些年来，国外有很多学者和技术人员都致力于研究和发展完善热分析技术，共同目的是更加高效、准确地获得各种电子设备组件的温度分布，为电子设备产品的设计过程提供温度参考。而在光电领域，随着光电产品小型化和集成度要求的提高，光电产品对热设计和热分析的要求也越来越高。文章根据某个型号产品内跟踪板收发模块暴露出局部热集中的问题，利用热计算与热分析对该收发模块的散热结构进行优化设计，并最终解决问题。

如下图1所示，该收发模块布置在球壳内的跟踪板上，其耐热性能差。过高温度容易影响其工作。

图1

由于平台结构及其安装位置限制，无法通过传导的方法直接将其发热量传递到球壳上。另外根据功能需求，球壳整体是密封结构，所以只能通过辐射和对流的方式进行散热。

该器件的热特性见表1。在对平台做65℃高温试验时，测得该收发模块周围的环境温度为70℃，器件表面温度为82℃，大于其耐热温度75℃，需要对其进行散热设计。

表1 热特性

1 结构分析

结合前面的分析，跟踪板安装在某传感器上，因空间限制，不便于直接将收发模块上的热量传导到基板上，见图2，只能通过对流和辐射方式对其进行散热。

图2

2 确定器件表面对流系数

2.1 辐射热量Qf确定

这里：Qf—辐射热量（瓦）；ε1—物体表面黑度，对于铝材取0.4；S1—参与辐射的表面积；C0—黑体的辐射系数，其值为5.67瓦/米2*K4；T1—物体温度（K）；T2—周围空气温度（K），经过试验知道模块表面温度为82℃.

将 S1=1835mm2，T1=（273+82）K，T2=（273+70）K带入，得：

2.2 对流热量Qd确定

Qd=1-0.085=0.915(瓦)

2.3 对流系数α确定

根据 Qd=α×S×（t2-t1）

这里S为对流面积，t2—物体表面温度；t1—周围空气温度得出：

2.4 借助有限元软件进行模拟分析

将对流系数α=41.5(瓦/米2*℃)、加热功率1瓦作为边界进行有限元分析，得出收发模块表面温度为82.108℃～82.635℃，与实际测试接近，见图3。

图3

由于辐射热量小，这里没考虑该部分的贡献，选择换热方式时会更加保守和安全。

由于该器件最高耐温是75℃，所以需要提高换热效率。拟通过增加散热器和风扇等措施进行强迫风冷。

3 确定散热片结构

根据平台内部布局和器件安装情况，设计如图4、5所示散热器。

图4

图5

将对流系数 α=41.5(瓦/米2*℃)、加热功率 1 瓦作为边界条件进行有限元分析[4]，得出收发模块表面温度为71.86～72.874℃，小于75℃的耐温要求，见图6。与耐温75℃相比还有2.5%的余量。

图6

4 选择风扇

首先确定风扇的气流量Q。

（1）由于散热片高度H仅为6mm～8.5mm，按层流换热方程进行计算。

（2）定性温度确定

式中：tw为壁面温度，这里为73℃；tf为空气温度，70℃。

得出：

（3）根据定性温度选取各物理参数为：

定性温度条件下空气的导热系数λf=2.98×10-2瓦/米×℃；

定性温度条件下空气的粘度μf=20.18×10-6米2/秒。

（4）所以：努谢尔特数 Nuf=αH/λf=41.5×6×10-3/2.98×10-2=8.4；

（6）根据雷诺准则：Ref=ωH/ν（ω为空气的流速），得出：

（7）风扇的气流量计算：Q=ω×S（S为散热片垂直于风向的横截面积），根据散热器结构得S=1660mm2，所以：

5 根据气流量选择风扇

由于安装空间限制，风扇无法直接靠近器件，估计风扇有效流量仅有30%，所以风扇流量至少需要3.23/30%=9.693.23m3/h。据此选择RS风扇191-890，其参数如表2所示：

-10～90℃电源电流（m A）40×40×6 40 191-890工作温度范围规格m m气流(m 3/h）10风扇速度（r p m）7000噪音级别（d B）工作电压（V）32 12库存号

至此完成对该器件的散热设计。

6 结 语

文章提出了有限空间内对跟踪板收发模块的热设计与热分析方法。经对分析结果进行试验验证，证明了分析过程与结果的正确性。对类似产品的热分析具有指导意义。