基于正交设计的密封机箱散热翅片的参数仿真优化

陈俊桃，苏关云，杨 虎，廖 锐

(成都西科微波通讯有限公司，四川 成都 610031)

0 引 言

随着现代电子技术的发展，电子设备产品的集成度越来越高，随之而来的电子器件在单位体积内的发热量大增。对于电子设备密封机箱来说，因不能依靠外装风机进行强迫风冷，仅能依靠自然对流及热辐射进行散热，因此密封机箱对散热设计的要求更高。对于外形尺寸确定的机箱，需要确定散热翅片的各参数的最佳值，笔者拟采用正交设计方法，利用ICEPAK软件仿真分析各个参数值下的芯片温度值，通过极差分析散热翅片各个参数对功放芯片温度的影响规律，为后续类似密封机箱散热翅片的的设计提供参考。

1 某型密封机箱设计要求

某型密封机箱外形如图1所示，外形尺寸为310 mm×307.5 mm×70 mm，底部设计有散热翅片，内部安装有功放板、工控板、DC/DC电源等，其中功放板对散热的需求最大。该功放板含有4个功放芯片，每个功放芯片功耗6W，因此功放板的散热设计是该密封机箱设备能否正常工作的关键。

图1 某密封机箱外形示意 图2 散热翅片截面示意图

图2为该密封机箱散热翅片的外形示意，其包含四个参数，翅片厚度A，基板厚度B，翅片间距C，翅片高度D。根据传热学[1-2]，密封机箱自然散热时，散热量决定于机箱表面积，而四个参数的数值直接关系到机箱表面积，进而影响内部器件的散热。因此，对于该型外形尺寸确定的机箱，为确定散热翅片的各参数的最佳值，笔者采用正交试验设计方法，利用ICEPAK软件仿真分析，通过极差分析得出散热翅片各个参数对功放芯片温度的影响规律，从而确定该型密封机箱散热翅片的最佳参数值。

2 正交试验设计

采取四因素三水平正交表L9(34)见表1。以功放芯片温度为考核指标，建立正交试验设计表2。

表1 正交试验因素水平表 /mm

表2 正交试验设计表 /mm

3 热仿真分析

采用ICEPAK热仿真分析软件[3]，在保证仿真模型不失真的前提下，对仿真模型进行了部分简化，机箱内部仅保留功放芯片，去除结构件安装孔及其他散热要求不高的模块。为保证功放芯片可靠散热，设计时在功放芯片下面垫一块铜板，铜板再与散热翅片接触，最终建立热仿真分析模型如图3所示。功放芯片与铜板、铜板与散热翅片之间的接触热阻设置为0.000 1 ℃·m2/W，环境温度设置为55℃，外界环境设置为纯自然对流环境。

图3 热仿真分析模型(隐藏上面板)

依据正交试验设计表，共有9个仿真试验组，各组仿真结果温度分布云图见图4所示，各组芯片最高温度见表3所示。

表3 ICEPAK仿真分析功放芯片温度表

图4 各仿真试验组结果温度分布云图

4 结果极差分析与讨论

4.1 结果极差分析

根据表4极差分析可知，散热翅片各参数对功放芯片温度的影响主次顺序为：D(翅片高度)>B(基板厚度)>C(翅片间距)>A(翅片厚度)，翅片高度和基板厚度对芯片温度的影响最大，翅片间距和翅片厚度的影响次之。为使芯片温度最低，散热翅片的最佳参数为A1B3C2D3。这一方案是否为最佳方案，需要进一步仿真验证。

表4 极差分析表

4.2 讨 论

根据极差分析表可得散热翅片各参数对功放芯片的影响曲线见图5所示。从图5可以看出，在正交设计表所取的数值范围内，芯片的温度随着基板厚度与翅片高度的增加而逐渐降低；随着翅片厚度的增加呈现先升高后降低的趋势；随着翅片间距的增加呈现先降低后升高的趋势。

图5 散热片各参数对芯片温度的影响

对于散热片的翅片高度和基板厚度，其尺寸的增加对于散热片散热性能的提高大有好处，但基板厚度增加太大，会影响整体设备的重量，因此，在设计散热片时，为提高散热片散热性能，优选增加散热片的翅片高度。

对于翅片间距和翅片厚度，其尺寸对散热片散热性能的影响最不显著，因此，在可能的情况尽可能增加翅片的厚度和翅片的间距，这样可以减小机械加工的难度，而对散热片最终的散热性能影响不是很大。

4.3 验证试验

通过极差分析，初步确认对于该密封机箱的最佳散热片参数见表5所示。

表5 最佳散热片参数值

基于该散热翅片的参数，利用ICEPAK热仿真分析软件继续对该密封机箱进行仿真分析，其温度分布云图见图6所示。

图6 温度分布云图

芯片最高温度为80.9 ℃。该温度值FZ3仅相差0.4 ℃，考虑最后散热翅片的加工工艺，且由于翅片间距对散热翅片的最终散热性能影响不显著，对于该密封机箱的散热翅片的最佳散热参数取值为：翅片厚度1.5 mm，基板厚度4 mm，翅片间距10 mm，翅片高度35 mm。

5 结 论

基于正交试验设计，利用ICEPAK热仿真分析软件，模拟分析密封机箱在纯自然对流的情况，散热翅片各参数对机箱内部散热器件或模块的温度影响规律，得出以下结论：

(1) 翅片高度对散热翅片的散热性能影响最显著，当需要提高散热片的散热性能时，可优选考虑适当增加翅片的高度。

(2) 翅片厚度与翅片间距对散热翅片的散热性能影响不显著，在满足加工工艺要求的情况下，可适当减小翅片厚度，增大翅片间距，这样既可满足密封机箱对散热性能的要求，又可减轻整个设备的重量。

文中通过正交试验设计的方法对密封机箱进行热仿真研究，为密封机箱的散热翅片设计提供了参考依据，同时也对其他类似机箱的散热设计具有借鉴意义。