0引言

現(xiàn)代電子設(shè)備對(duì)于性能指標(biāo)?可靠性?功率密度等要求不斷提高?因此,電子設(shè)備的熱設(shè)計(jì)越來(lái)越重要?在電子設(shè)備設(shè)計(jì)過(guò)程中,功率器件尤為重要,其工作狀態(tài)會(huì)對(duì)整機(jī)可靠性造成影響?由于大功率器件發(fā)熱量不斷增加,通過(guò)封裝外殼散熱已經(jīng)無(wú)法滿足散熱需求,需要對(duì)散熱和冷卻的方法進(jìn)行合理選擇從而實(shí)現(xiàn)有效散熱,使電子元器件溫度控制在規(guī)定值以下,在熱源到外部環(huán)境之間實(shí)現(xiàn)導(dǎo)熱通道,從而保證熱量能夠順利導(dǎo)出?

1PCB板的設(shè)計(jì)

線路設(shè)計(jì)人員要對(duì)PCB進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),優(yōu)先使用耐高溫性能良好的工業(yè)級(jí)以上器件,重點(diǎn)考慮元器件合理布局,利于散熱?一般在中心設(shè)置熱損耗小器件,在外圍布設(shè)熱損耗比較大的器件,優(yōu)先使用雙列直插器件?

根據(jù)溫控指標(biāo)確定印制板導(dǎo)線寬度和銅箔層厚度,從而使散熱與導(dǎo)熱能力得到提高,在印刷版與元器件中間設(shè)置銅導(dǎo)熱條,安裝的過(guò)程中使用導(dǎo)熱條實(shí)現(xiàn)全部發(fā)熱器件的跨接,利用導(dǎo)熱條傳遞元器件的能量?芯片充填導(dǎo)熱硅脂,從而使空氣間隙得到消除,降低接觸熱阻?然后,根據(jù)散熱方式占比?導(dǎo)熱寬度?元器件大小?密集度等實(shí)現(xiàn)印刷版最佳尺寸的確定?

由于電子設(shè)備依靠對(duì)流和輻射散熱比較困難,主要通過(guò)傳導(dǎo)才能夠?qū)崿F(xiàn)散熱?為縮短傳導(dǎo)路徑,實(shí)現(xiàn)合理布局,設(shè)計(jì)過(guò)程中需將發(fā)熱器件安裝到機(jī)殼中?通過(guò)插座實(shí)現(xiàn)PCB的連接,以此使連接電纜得到降低,方便氣流流通,實(shí)現(xiàn)最小熱阻?最短散熱路徑的設(shè)置,避免箱內(nèi)出現(xiàn)循環(huán)熱量?

提高機(jī)箱對(duì)外傳熱能力,對(duì)箱體導(dǎo)熱進(jìn)行氧化熱處理,將有機(jī)涂料進(jìn)行涂抹能夠進(jìn)一步的提高輻射散熱?另外,實(shí)現(xiàn)機(jī)箱壁翅板散熱形狀加工,從而使機(jī)箱整體散熱面積得到提高?為了能夠更好地防潮濕?防霉菌,可將防水導(dǎo)熱材料填充到搭接面中?

使用時(shí)在機(jī)殼底板中設(shè)置電源模板,利用機(jī)殼底板實(shí)現(xiàn)上電,在上方安裝開(kāi)孔金屬散熱器板,使機(jī)箱壁接觸面積得到提高?另外,為芯片1145?110設(shè)置銅質(zhì)導(dǎo)熱板,在8245芯片中設(shè)置鋁材散熱板,提供低熱阻通路?導(dǎo)熱板表面使用厚度為1mm的導(dǎo)熱墊進(jìn)行導(dǎo)熱,通過(guò)連接螺釘緊固力產(chǎn)生接觸壓力?

2導(dǎo)熱板的設(shè)計(jì)

使用大熱傳導(dǎo)系數(shù)的紫銅板,芯片管腳處發(fā)熱比較大,使用排列整齊的雙列直插器件,能夠使器件管腳穿過(guò)導(dǎo)熱板,器件底板和絕緣膜導(dǎo)熱板表面緊貼?

部分器件為TGA?PLCC封裝方式,四面管腳?比如主要散熱原件為CPU,要使用有效散熱措施?此時(shí)能夠在導(dǎo)熱板中開(kāi)方孔讓出器件,在器件頂面壓一塊小導(dǎo)熱板,使熱量導(dǎo)向PCB導(dǎo)熱板?為了使小導(dǎo)熱板和器件?PCB導(dǎo)熱板良好接觸,使導(dǎo)熱效率得到提高,在接觸面中涂抹絕緣導(dǎo)熱脂或者墊絕緣導(dǎo)熱橡膠板,從而使器件端和PCB導(dǎo)熱板緊密接觸?為了使另外一端導(dǎo)熱板和機(jī)箱壁緊密接觸,PCB導(dǎo)熱板和機(jī)箱壁連接使用楔形壓緊結(jié)構(gòu)?此結(jié)構(gòu)方式能夠在散熱器集中?熱耗散功率比較大PCB板中使用?

設(shè)備中設(shè)置電源模塊,在箱壁沒(méi)有導(dǎo)軌槽?開(kāi)孔等結(jié)構(gòu)平面處,充分使用機(jī)箱壁,使電源模塊和箱壁緊貼安裝,從而增大導(dǎo)熱面積,降低中間導(dǎo)熱環(huán)節(jié),降低熱阻,并且使散熱效率得到提高,充分使用空間,壓縮機(jī)箱體積?

3散熱器的設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)散熱器過(guò)程中,要對(duì)電子設(shè)備結(jié)構(gòu)風(fēng)壓?成本?加工工藝?散熱效率等條件全面考慮?散熱器助片要求薄,但是會(huì)導(dǎo)致在加工過(guò)程中出現(xiàn)問(wèn)題?肋間間距縮小,會(huì)增加散熱面積,但會(huì)造成風(fēng)阻增加,對(duì)散熱造成影響?增加肋片高度能夠增加散熱面積,以此使散熱量增大?但是針對(duì)等截面直肋,增加肋片高度到一定程度之后,傳熱量就不會(huì)增加,如果肋高繼續(xù)增加,會(huì)降低肋片效率,使風(fēng)阻增加?

充分考慮以上原則,本文利用鋁板散熱器,翅片長(zhǎng)度設(shè)置為300mm?因?yàn)楣Ψ拍K是主要發(fā)熱模塊,其他可以忽略,主要考慮設(shè)置功放散熱器的肋高?通過(guò)Icepak軟件trials功能設(shè)置肋高?肋片間肌?厚度,之后設(shè)置變量值,Icepak對(duì)肋間距?厚度?肋高計(jì)算不同值時(shí)候的模型求解結(jié)果,功放模塊肋高設(shè)計(jì)為50mm,肋厚設(shè)計(jì)為6mm,其他模塊肋高設(shè)計(jì)為20mm的時(shí)候結(jié)構(gòu)最優(yōu)?最后,為了降低散熱器與功放模塊的接觸熱阻,需要保證接觸面加工精度,并在接觸面中涂抹導(dǎo)熱硅脂?

4風(fēng)機(jī)的選擇

為將散熱器熱量帶走,設(shè)計(jì)選用風(fēng)機(jī)?利用風(fēng)機(jī)在設(shè)備外排風(fēng),將所有發(fā)熱量帶走,熱平衡方程表示為:

公式中的Q指的是設(shè)備發(fā)熱量,L指的是冷卻空氣熱量,Cp指的是空氣比熱,p指的是空氣密度,△t指的是冷卻空氣出口與入口的溫升?

設(shè)備空氣密度為1.13kg/m3,總發(fā)熱量為0.7kW,設(shè)置空氣比熱1.009kJ/(kg·℃),溫升設(shè)置10℃?在熱平衡方程中代入上述值的結(jié)果為0.0614m3/s?上述計(jì)算風(fēng)量的公式指的是熱量帶走風(fēng)量,因?yàn)樵O(shè)備具有較大的功放模塊與電源模塊,風(fēng)量也比較大?3個(gè)并聯(lián)風(fēng)機(jī)能夠?qū)υO(shè)備進(jìn)行抽風(fēng)冷卻,最大風(fēng)量與最大靜壓分別為0.052m3/s和61.28N/m2?因?yàn)榇嬖陲L(fēng)阻,導(dǎo)致風(fēng)機(jī)無(wú)法在最大風(fēng)量中工作,風(fēng)機(jī)工作點(diǎn)要比最大風(fēng)量小?根據(jù)強(qiáng)迫風(fēng)冷的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),提高風(fēng)機(jī)工作效率能夠增強(qiáng)散熱效果?

5結(jié)語(yǔ)

在實(shí)現(xiàn)電子元器件和設(shè)備結(jié)構(gòu)熱設(shè)計(jì)的過(guò)程中,要對(duì)電氣元器件和設(shè)備傳熱方式進(jìn)行分析,對(duì)電氣元器件熱環(huán)境等因素進(jìn)行考慮?基于此設(shè)計(jì)相關(guān)參數(shù),最終使用合適方法實(shí)現(xiàn)熱設(shè)計(jì)?經(jīng)過(guò)仿真驗(yàn)證,此設(shè)備工作性能穩(wěn)定,能夠滿足用戶對(duì)于設(shè)備高可靠性的要求?

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