典型的密封式电子设备结构热设计研究
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| 时 间：2007-8-17 15:21:15 作者： 来 源：
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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所示。
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。
3 机箱外壳散热设计
机箱内的热量是通过机箱壁与外界进行热交换的，为使热量尽量多的散到空气中，只能通过增大散热面积来实现。故在四侧壁均加工成板翅散热器形状，同时兼顾重量不得超重。
4 热分析
整个设备设计完成后，用FLOTHERM热分析软件对该设备进行结构热设计分析与验证。首先建立设备模型，问题描述如下：
（1）密封铝制机箱外形尺寸：432mm×276mm×242mm；
（2）内部安装9块PCB板，4块电源模块。热耗散功率设置如图3所示；
（3）最大发热器件耗散功率为5W（位于PCB5上）；
（4）器件最大允许温度为85℃；
（5）工作环境温度为55℃。
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。
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.
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