(信息產業部電子第五十四研究所,河北 石家莊050002)
摘 要:通過對一種典型的密封機箱在嚴酷環境條件下使用時的設計實踐,闡述了結構熱設計中的設計思想及一些具體散熱結構,同時應用較先進的熱分析軟件進行結構熱設計驗證與優化.
關鍵詞:熱設計;密封機箱;導熱板
熱設計在無線電結構設計中占有重要地位,實踐表明,電子元件的故障率隨元件溫度的升高呈指數關系而增加,電子設備線路的性能則與溫度的變化成反比.對于環境條件較為苛刻情況下的熱設計更需精心分析與計算.這里,就某工程用密封機箱的設計與同行共榷.
電子設備的冷卻方法取決于設備總的熱損耗及其集中程度、元件(或設備)的允許溫度以及元件(或設備)的環境溫度等.選擇合適的冷卻方法需視具體情況而定.某設備應用環境較為苛刻,屬背負攜行、野外工作無人職守設備.要求小型化、重量輕、防雨、抗高低溫、耐濕熱、高強度.以下為某設備技術指標摘錄:
工作溫度:-25℃~+55℃
振動:正弦波5~55~5Hz, 加速度幅值1.5g
顛振:15g
濕度:95±3%(環境溫度:30℃±2℃ )
重量<25kg
分析以上指標,該設備為長期工作環境濕度過大的野外設備,這就決定了本機箱為全密封機箱.而箱內有電源、CPU等高熱器件,故此機箱的熱設計成為設備能否正常工作的關鍵.在設計論證過程中首先否定了機箱外安裝風扇的方案,雖然強迫風冷可較迅速帶走機殼表面熱量,但安裝風扇必將提高電源輸出功率、增加了熱耗,更主要原因是高熱、高濕環境無法保證風扇正常工作.由此可設定本機箱散熱設計以傳導散熱為主.
從此入手,可確定各設計環節:
·PCB優化設計.在完成功能前提下,元器件布局合理,利于耗散熱均勻散出,并利于采取結構散熱措施.
·導熱板設計.一端與發熱器件緊密接觸,另一端與機箱壁緊密接觸.實現兩級傳導散熱:發熱元件→導熱板→箱壁.
·機箱外殼散熱設計.
1 PCB板設計
線路設計人員按照第一條原則進行PCB優化設計.首先選擇耐高溫性能較好的工業級以上器件.為便于結構上采取散熱措施,關鍵在于元器件布局整齊,成行排列.中心布設熱損耗小器件,外圍布設熱損耗相對較大器件.多采用雙列直插器件.做好這一點即為總體熱設計打下了良好的基礎.
2 導熱板設計
導熱板選擇熱傳導系數較大的紫銅板.一般芯片管腳處發熱較大,對于排列整齊的雙列直插器件,可將器件管腳穿過導熱板,而器件底面緊貼在附有絕緣膜的導熱板表面.示意圖如圖1所
有些器件是TGA、PLCC封裝形式,四面管腳,不能采用圖1所示底部貼緊散熱形式.如CPU是主要的散熱元件,必須采用有效地散熱措施.這時可在導熱板上開方孔讓出器件,在器件頂面壓一塊小導熱板,小導熱板再將熱量導向PCB導熱板.為使器件與小導熱板、小導熱板與PCB導熱板之間接觸良好,提高導熱效率,在接觸面上應涂絕緣導熱脂或墊一層絕緣導熱橡膠板.采取以上措施可保證PCB導熱板與器件端的緊密接觸.
為使另一端導熱板與機箱壁緊密接觸,PCB導熱板與機箱壁之間的連接采用楔形壓緊機構,如圖2所示.
這種結構形式適用于散熱器件較集中,熱耗散功率較大的PCB板.對于本設備因有重量輕的要求,而紫銅板密度較大,故對熱耗散功率較小的PCB板可對個別器件進行局部導熱.形式與CPU散熱類似.
設備中還用到幾塊電源模塊,在箱壁無開孔、導軌槽等結構的平面處,充分利用機箱壁,將電源模塊與箱壁貼緊安裝,這樣一方面導熱面積大,減少中間導熱環節,可有效減小熱阻,提高散熱效率,還能充
有些器件是TGA、PLCC封裝形式,四面管腳,不能采用圖1所示底部貼緊散熱形式.如CPU是主要的散熱元件,必須采用有效地散熱措施.這時可在導熱板上開方孔讓出器件,在器件頂面壓一塊小導熱板,小導熱板再將熱量導向PCB導熱板.為使器件與小導熱板、小導熱板與PCB導熱板之間接觸良好,提高導熱效率,在接觸面上應涂絕緣導熱脂或墊一層絕緣導熱橡膠板.采取以上措施可保證PCB導熱板與器件端的緊密接觸.
為使另一端導熱板與機箱壁緊密接觸,PCB導熱板與機箱壁之間的連接采用楔形壓緊機構,如圖2所示.
這種結構形式適用于散熱器件較集中,熱耗散功率較大的PCB板.對于本設備因有重量輕的要求,而紫銅板密度較大,故對熱耗散功率較小的PCB板可對個別器件進行局部導熱.形式與CPU散熱類似.
設備中還用到幾塊電源模塊,在箱壁無開孔、導軌槽等結構的平面處,充分利用機箱壁,將電源模塊與箱壁貼緊安裝,這樣一方面導熱面積大,減少中間導熱環節,可有效減小熱阻,提高散熱效率,還能充分利用空間,減小機箱體積.
根據以上要素進行建模:
(1)機箱內部以傳導散熱為主,機箱外同時考慮對流與輻射兩種熱傳導方式,其中環境輻射溫度設為55℃.
(2)關鍵板(如PCB3、PCB4)進行芯片級建模,其余板進行板級建模;
(3)PCB3采用管腳導熱和個別器件表面導熱兩種方式,PCB4采用器件表面導熱方式,電源模塊底面貼壁散熱.
通過計算,得到較理想的溫度分布云圖,如圖4所示,對關鍵器件進行模擬監測,該器件的溫度收斂圖也較理想.以PCB3為例,耗散功率最大的器件(5W、TGA封裝)溫度(器件內部溫度,下同)控制在85℃以下,其它器件均在82℃以下.這說明采取的散熱手段有效,可達到使用要求.
軟件模擬過程中,發現導熱板材質、厚度、接觸面積對器件散熱有明顯影響,優化導熱板設計可明顯降低器件溫度.
分析軟件作為輔助設計手段可用來驗證設計效果,同時當達不到設計要求時還可提供相應的優化措施.
參考文獻
1 電子設備結構設計原理. 江蘇科學技術出版社,1981
2 便攜式密閉箱體的自然對流散熱分析. Flomerics技術支持
軟性硅膠導熱絕緣墊
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