典型的密封式电子设备结构热设计研究

白秀茹

(信息产业部电子第五十四研究所,河北 石家庄050002)


    摘  要:通过对一种典型的密封机箱在严酷环境条件下使用时的设计实践,阐述了结构热设计中的设计思想及一些具体散热结构,同时应用较先进的热分析软件进行结构热设计验证与优化.
    关键词:热设计;密封机箱;导热板  


    热设计在无线电结构设计中占有重要地位,实践表明,电子元件的故障率随元件温度的升高呈指数关系而增加,电子设备线路的性能则与温度的变化成反比.对于环境条件较为苛刻情况下的热设计更需精心分析与计算.这里,就某工程用密封机箱的设计与同行共榷.
    电子设备的冷却方法取决于设备总的热损耗及其集中程度、元件(或设备)的允许温度以及元件(或设备)的环境温度等.选择合适的冷却方法需视具体情况而定.某设备应用环境较为苛刻,属背负携行、野外工作无人职守设备.要求小型化、重量轻、防雨、抗高低温、耐湿热、高强度.以下为某设备技术指标摘录:
    工作温度:-25℃~+55℃
    振动:正弦波5~55~5Hz, 加速度幅值1.5g
    颠振:15g
    湿度:95±3%(环境温度:30℃±2℃ )
    重量<25kg
    分析以上指标,该设备为长期工作环境湿度过大的野外设备,这就决定了本机箱为全密封机箱.而箱内有电源、CPU等高热器件,故此机箱的热设计成为设备能否正常工作的关键.在设计论证过程中首先否定了机箱外安装风扇的方案,虽然强迫风冷可较迅速带走机壳表面热量,但安装风扇必将提高电源输出功率、增加了热耗,更主要原因是高热、高湿环境无法保证风扇正常工作.由此可设定本机箱散热设计以传导散热为主.
    从此入手,可确定各设计环节:
    ·PCB优化设计.在完成功能前提下,元器件布局合理,利于耗散热均匀散出,并利于采取结构散热措施.
    ·导热板设计.一端与发热器件紧密接触,另一端与机箱壁紧密接触.实现两级传导散热:发热元件→导热板→箱壁.
    ·机箱外壳散热设计.
1 PCB板设计
    线路设计人员按照第一条原则进行PCB优化设计.首先选择耐高温性能较好的工业级以上器件.为便于结构上采取散热措施,关键在于元器件布局整齐,成行排列.中心布设热损耗小器件,外围布设热损耗相对较大器件.多采用双列直插器件.做好这一点即为总体热设计打下了良好的基础.
2 导热板设计
    导热板选择热传导系数较大的紫铜板.一般芯片管脚处发热较大,对于排列整齐的双列直插器件,可将器件管脚穿过导热板,而器件底面紧贴在附有绝缘膜的导热板表面.示意图如图1所

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有些器件是TGA、PLCC封装形式,四面管脚,不能采用图1所示底部贴紧散热形式.如CPU是主要的散热元件,必须采用有效地散热措施.这时可在导热板上开方孔让出器件,在器件顶面压一块小导热板,小导热板再将热量导向PCB导热板.为使器件与小导热板、小导热板与PCB导热板之间接触良好,提高导热效率,在接触面上应涂绝缘导热脂或垫一层绝缘导热橡胶板.采取以上措施可保证PCB导热板与器件端的紧密接触.
    为使另一端导热板与机箱壁紧密接触,PCB导热板与机箱壁之间的连接采用楔形压紧机构,如图2所示.
    这种结构形式适用于散热器件较集中,热耗散功率较大的PCB板.对于本设备因有重量轻的要求,而紫铜板密度较大,故对热耗散功率较小的PCB板可对个别器件进行局部导热.形式与CPU散热类似.
    设备中还用到几块电源模块,在箱壁无开孔、导轨槽等结构的平面处,充分利用机箱壁,将电源模块与箱壁贴紧安装,这样一方面导热面积大,减少中间导热环节,可有效减小热阻,提高散热效率,还能充
有些器件是TGA、PLCC封装形式,四面管脚,不能采用图1所示底部贴紧散热形式.如CPU是主要的散热元件,必须采用有效地散热措施.这时可在导热板上开方孔让出器件,在器件顶面压一块小导热板,小导热板再将热量导向PCB导热板.为使器件与小导热板、小导热板与PCB导热板之间接触良好,提高导热效率,在接触面上应涂绝缘导热脂或垫一层绝缘导热橡胶板.采取以上措施可保证PCB导热板与器件端的紧密接触.
    为使另一端导热板与机箱壁紧密接触,PCB导热板与机箱壁之间的连接采用楔形压紧机构,如图2所示.
    这种结构形式适用于散热器件较集中,热耗散功率较大的PCB板.对于本设备因有重量轻的要求,而紫铜板密度较大,故对热耗散功率较小的PCB板可对个别器件进行局部导热.形式与CPU散热类似.
    设备中还用到几块电源模块,在箱壁无开孔、导轨槽等结构的平面处,充分利用机箱壁,将电源模块与箱壁贴紧安装,这样一方面导热面积大,减少中间导热环节,可有效减小热阻,提高散热效率,还能充分利用空间,减小机箱体积.

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根据以上要素进行建模:
    (1)机箱内部以传导散热为主,机箱外同时考虑对流与辐射两种热传导方式,其中环境辐射温度设为55℃.
    (2)关键板(如PCB3、PCB4)进行芯片级建模,其余板进行板级建模;
    (3)PCB3采用管脚导热和个别器件表面导热两种方式,PCB4采用器件表面导热方式,电源模块底面贴壁散热.
    通过计算,得到较理想的温度分布云图,如图4所示,对关键器件进行模拟监测,该器件的温度收敛图也较理想.以PCB3为例,耗散功率最大的器件(5W、TGA封装)温度(器件内部温度,下同)控制在85℃以下,其它器件均在82℃以下.这说明采取的散热手段有效,可达到使用要求.

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软件模拟过程中,发现导热板材质、厚度、接触面积对器件散热有明显影响,优化导热板设计可明显降低器件温度.
    分析软件作为辅助设计手段可用来验证设计效果,同时当达不到设计要求时还可提供相应的优化措施.

参考文献

1 电子设备结构设计原理. 江苏科学技术出版社,1981
2 便携式密闭箱体的自然对流散热分析. Flomerics技术支持

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