張 宇

(國(guó)營(yíng)第785廠第三研究所， 山西 太原 030024)

加固顯控終端散熱設(shè)計(jì)*

張 宇

(國(guó)營(yíng)第785廠第三研究所， 山西 太原 030024)

以全加固顯控終端散熱設(shè)計(jì)為例，為大功耗全加固電子產(chǎn)品提出完整的散熱設(shè)計(jì)理論及方法，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)以及仿真分析，使產(chǎn)品整體可靠性得到大幅提升。研究表明，電子通訊設(shè)備失效大多是電子元器件過(guò)熱引起的，在全加固電子設(shè)備中，由于溫度因素造成的故障率也達(dá)到了很高的數(shù)值。所以合理的熱設(shè)計(jì)是提高電子設(shè)備可靠性，降低產(chǎn)品維護(hù)費(fèi)用，提高核心競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)降低全加固電子設(shè)備的故障率具有很大的幫助。

加固終端;散熱設(shè)計(jì);優(yōu)化設(shè)計(jì)

引 言

全加固顯控終端以及其他加固電子產(chǎn)品作為車載、機(jī)載、艦載等一線作戰(zhàn)設(shè)備上的核心系統(tǒng)，經(jīng)常工作在惡劣環(huán)境下。因此，產(chǎn)品設(shè)計(jì)根據(jù)作戰(zhàn)環(huán)境的不同以及國(guó)軍標(biāo)的不同要求，需要考慮溫度、濕度、氣候、氣壓以及強(qiáng)烈的振動(dòng)沖擊和電磁干擾等方面的性能。據(jù)國(guó)外某機(jī)構(gòu)研究，電子通訊設(shè)備失效大多是由電子元器件過(guò)熱引起的，在加固電子設(shè)備中，由于溫度因素造成的故障率也達(dá)到了很高的數(shù)值。持續(xù)高溫會(huì)使設(shè)備元器件功能損壞、焊點(diǎn)脫開(kāi)、機(jī)械強(qiáng)度減弱、電性能發(fā)生變化甚至損壞、接觸電阻增大和金屬表面電阻增大等一系列問(wèn)題，嚴(yán)重影響著設(shè)備的可靠性。熱設(shè)計(jì)已成為提高電子設(shè)備可靠性、降低產(chǎn)品維護(hù)費(fèi)用、提高核心競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵技術(shù)。下面以某型全加固顯控終端為例，介紹該類產(chǎn)品散熱設(shè)計(jì)方法，提高設(shè)備性能。

1 全加固顯控終端的初始設(shè)計(jì)

圖1 終端組成

熱設(shè)計(jì)應(yīng)與電氣設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)同時(shí)進(jìn)行，做到熱設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電氣設(shè)計(jì)互相兼顧。此加固顯控終端為車載設(shè)備，參考GJB 150—2009，該終端工作溫度為：-40 ℃～65 ℃，存儲(chǔ)溫度為：-55 ℃～70 ℃。因此，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)在此溫度范圍內(nèi)保證設(shè)備的所有元器件均能可靠工作。根據(jù)電氣設(shè)計(jì)要求，該全加固顯控終端有4 個(gè)主要部件：加固顯示屏組件、主板組件、電源及溫控組件、逆變器組件，如圖1所示。 按照功能性設(shè)計(jì)，各部分組件功耗分布如表1所示。

表1 產(chǎn)品功耗分布(常溫)

2 加固顯控終端初始散熱設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)

首先，散熱設(shè)計(jì)要在總體方案時(shí)期確定。根據(jù)電氣功能性要求及結(jié)構(gòu)總體外形尺寸的限制，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單估算即可確定，該終端的一般散熱部件為加固屏組件和電源及溫控組件，重點(diǎn)散熱部件為主板組件。因此在初始結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)就確立了加固屏組件通過(guò)導(dǎo)熱橡膠板與前面板連接散熱，電源及溫控組件與主板組件通過(guò)散熱殼與后蓋板相連散熱的基本散熱形式。整體材質(zhì)綜合電磁兼容及散熱等要求選用鋁合金。由于該終端為全加固型，為了提高設(shè)備的可靠性，只采用自然對(duì)流散熱[1]。

2.2 單板設(shè)計(jì)

通常來(lái)說(shuō)，主要散熱芯片加散熱器時(shí)，熱阻大幅降低，PCB板導(dǎo)熱量減少為很小一部分，如果單板結(jié)構(gòu)不是很復(fù)雜或者散熱要求不是特別高的時(shí)候可以不用考慮。但是對(duì)于該終端來(lái)說(shuō)，CPU芯片熱耗太大，所以PCB板的導(dǎo)熱傳遞作為輔助散熱途徑也需要認(rèn)真設(shè)計(jì)。具體方案是在PCB各層鋪設(shè)的銅層相對(duì)均勻，使熱量均勻化，提高綜合導(dǎo)熱系數(shù)，同時(shí)在PCB板周邊留出10 mm空間的導(dǎo)熱層，當(dāng)電路板與散熱殼固定后，PCB板導(dǎo)熱層與散熱殼充分接觸，將熱量導(dǎo)給散熱殼并傳導(dǎo)至后蓋板[2]，結(jié)構(gòu)形式如圖2所示。

圖2 主板散熱殼

單板元器件的安全性直接影響到整機(jī)的安全性和可靠性，而且很多單板具有通用性，更是要求能在多種環(huán)境下穩(wěn)定的工作，所以單板散熱設(shè)計(jì)非常重要。在實(shí)際布板后，各種元器件間散熱會(huì)有一定的影響，例如:大功率芯片的集中布置，會(huì)使熱量難以散發(fā)，實(shí)際溫升會(huì)比計(jì)算值高，所以最好在布板的同時(shí)建立單板熱分析仿真模型，通過(guò)EDA軟件圖形文件接口，轉(zhuǎn)換為幾何模型，利用仿真軟件確認(rèn)設(shè)計(jì)的安全性并且進(jìn)行優(yōu)化。

2.3 芯片散熱設(shè)計(jì)

在該終端中，主板為重點(diǎn)散熱部件，該部件又以龍芯3A CPU為主要散熱器件，所以主芯片能否正常工作至關(guān)重要。依據(jù)龍芯公司提供的數(shù)據(jù)，該芯片的功耗為15～20 W。

3A處理器是龍芯系列處理器中第一款多核處理器，內(nèi)部集成了4個(gè)主頻為1 GHz的64位處理器核，IC的晶體管數(shù)量達(dá)到4 億個(gè)，芯片的引腳數(shù)目將超過(guò)1 000個(gè)，封裝形式為FC-BGA，封裝尺寸為40 mm × 40 mm。龍芯官方給出的數(shù)據(jù)如表2、表3所示。

表2 龍芯3A的熱特性參數(shù)和推薦的最大值

表3 龍芯3A的熱阻參數(shù)

在通常計(jì)算中用類似于電流傳遞的方式來(lái)模擬熱量的傳遞，其公式如下[3]：

TJ=TA+RJA×Pd(無(wú)散熱器條件下)

(1)

式中：TJ為結(jié)溫；TA為環(huán)境溫度；RJA為熱阻；Pd為給定功耗值。

在該熱模型中，當(dāng)增加一個(gè)管殼溫度TC時(shí)，熱阻由RJA變?yōu)镮C結(jié)到管殼的熱阻RJC和管殼到周圍環(huán)境的熱阻RCA之和：

RJA=RJC+RCA=(TJ-TA)/Pd(無(wú)散熱器條件下)

(2)

在考慮有效散熱措施的情況下，需要再增加從管殼到散熱器上的熱阻RCS和從散熱器到周圍環(huán)境的熱阻RSA,其熱阻公式為:

RJA=RJC+RCS+RSA=(TJ-TA)/Pd

(3)

TJ=TA+RJA×Pd=TA+(RJC+RCS+RSA)×Pd

(4)

假設(shè)環(huán)境溫度TA=25 ℃ ，Pd按最大值20 W帶入式(1)，RJA按表4的數(shù)值帶入式(1)，計(jì)算得出無(wú)散熱器條件下TJ，如表4所示。

表4 TJ值分布

由計(jì)算結(jié)果得知，當(dāng)氣流速度Vair=0 m/s時(shí)，即在靜止空氣中，不加散熱器的龍芯3A處理器的結(jié)溫TJ達(dá)到187 ℃，完全超過(guò)125 ℃的結(jié)溫上限，因此必須增加散熱器。

散熱器具有熱阻性。熱阻越小，散熱效率就越高。因此，在不加風(fēng)機(jī)的情況下，散熱材料和散熱面積決定了該芯片的散熱效果。根據(jù)該終端的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，芯片散熱材料為鋁合金，熱阻系數(shù)為0.23 ℃·inch/W[4]，熱量由散熱殼傳導(dǎo)至后蓋板散熱，即散熱面積為后蓋板面積，約為1.3 × 105mm2。通常選用型材散熱器，廠家都會(huì)提供熱阻曲線，由于該終端散熱后蓋板為自制，可以使用ANSYS ICEPAK搭建模型，測(cè)出溫升，然后通過(guò)計(jì)算得出熱阻。因?yàn)檎鎸?shí)散熱過(guò)程中芯片間的熱輻射及接觸熱阻對(duì)散熱效果影響很大，并且超出元器件接觸面的散熱器效果隨與元器件間的距離增加而遞減，所以在考慮一定的冗余設(shè)計(jì)的情況下,估算得出該條件下散熱器熱阻RSA約為2.3 ℃/W。根據(jù)式(4)，已知最大功耗Pd為20 W，IC結(jié)到管殼的熱阻RJC為0.31 ℃/W，管殼到散熱器之間的導(dǎo)熱材料的熱阻RCS通常取0.1 ℃/W，環(huán)境溫度為25 ℃時(shí)，

TJ= 25 ℃+(0.31 ℃/W+0.1 ℃/W+

2.3 ℃/W)×20 W=79.2 ℃

結(jié)果小于最大結(jié)溫125 ℃，表明該終端的主芯片在常溫下可以滿足使用。但是當(dāng)溫度達(dá)到65 ℃時(shí)，

TJ= 65 ℃+(0.31 ℃/W+0.1 ℃/W+

2.3 ℃/W)×20 W=119.2 ℃

此時(shí)CPU結(jié)溫處于正常工作狀態(tài)邊緣，可靠性很低，需要進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3 優(yōu)化設(shè)計(jì)

熱量傳遞有3種方式：導(dǎo)熱、對(duì)流和輻射，增強(qiáng)散熱的基本方法就是根據(jù)這3種性質(zhì)而制定。主要有：

1)增加換熱面積；

2)提高散熱殼和后蓋板的平面度，使二者之間緊密接觸；

3)在傳熱路徑上使用導(dǎo)熱酯，減小導(dǎo)熱界面的接觸熱阻；

4)通過(guò)提高散熱零件的表面粗糙度、使用無(wú)光漆等方式增加散熱零件的黑度，增強(qiáng)輻射散熱能力[5]。

圖3 優(yōu)化后的后蓋板

根據(jù)前面的計(jì)算數(shù)據(jù)可知，該終端散熱設(shè)計(jì)的主要問(wèn)題是高溫65 ℃時(shí)龍芯CPU芯片處于結(jié)溫附近，整機(jī)熱容量不足導(dǎo)致，最直接有效的方法為增加換熱面積。所以，優(yōu)化設(shè)計(jì)的主要目的就是增加后蓋板的散熱面積。如圖3所示，我們通過(guò)在后蓋板散熱面空余位置多出10 mm的散熱翅片來(lái)達(dá)到增加散熱面積的需求，并且在散熱翅片之間開(kāi)橫縱交錯(cuò)的槽，使CPU芯片傳遞過(guò)來(lái)的熱量可以更快速的與空氣換熱。圖中散熱翅片的橫縱開(kāi)槽距離可以通過(guò)ICEPAK仿真軟件優(yōu)化設(shè)計(jì)達(dá)到最優(yōu)，此處結(jié)合加工難度以及實(shí)際需求，翅片縱向(Y向)流動(dòng)方向總高度為163 mm，間隙為3 mm；橫向(X向)每10.5 mm開(kāi)3 mm的槽。優(yōu)化設(shè)計(jì)后，后蓋共增加散熱面積2.02 × 105mm2，總散熱面積是原來(lái)的1 倍多，這樣可以保證在高溫65 ℃時(shí)CPU芯片低于結(jié)溫要求穩(wěn)定運(yùn)行。

4 仿真設(shè)計(jì)與試驗(yàn)評(píng)估

上述散熱設(shè)計(jì)都是建立在經(jīng)驗(yàn)公式得到的理論數(shù)據(jù)，真實(shí)的散熱情況可能因?yàn)榄h(huán)境的干擾有一定的變化。因此應(yīng)用仿真軟件進(jìn)行驗(yàn)證整機(jī)散熱的合理性及優(yōu)化散熱設(shè)計(jì)非常重要。這里采用ANSYS ICEPAK進(jìn)行整機(jī)仿真設(shè)計(jì)，通過(guò)模型導(dǎo)入、網(wǎng)格劃分、計(jì)算及后處理后，得出環(huán)境溫度分別為25 ℃和65 ℃的溫度分布云圖，見(jiàn)圖4和圖5。

圖4 25 ℃溫度分布云圖

圖5 65 ℃溫度分布云圖

從溫度云圖分布可以看出，優(yōu)化后的散熱設(shè)計(jì)非常有效，終端的最高溫升小于20 ℃，熱量分布均勻，在空氣中通過(guò)自然對(duì)流以及輻射換熱可以滿足散熱要求，其他位置散熱需求較低，在此不做過(guò)多描述。

該終端在生產(chǎn)裝配后按照GB 150—2009要求進(jìn)行嚴(yán)格的溫度試驗(yàn)，所有表面散熱數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)接近，實(shí)際散熱效果良好。在高溫65 ℃試驗(yàn)過(guò)程中，讀取CPU寄存器溫度為99 ℃，完全滿足結(jié)溫要求(注：CPU寄存器溫度與計(jì)算溫度有一定出入)。試驗(yàn)結(jié)果表明該散熱設(shè)計(jì)有效可靠，可以保證設(shè)備內(nèi)部元器件不超過(guò)安全溫度，長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文以全加固顯控終端為例，介紹了幾種散熱設(shè)計(jì)及優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法，在實(shí)際的散熱設(shè)計(jì)中，如果沒(méi)有特定的要求或者根據(jù)使用環(huán)境的不同，還有更多的方法可以采用,如選用導(dǎo)熱系數(shù)更高的材料、增加導(dǎo)熱方向上的截面積、減小導(dǎo)熱方向上的路徑、增加風(fēng)機(jī)、破壞層流邊界層、使用熱管提高傳熱速率等等。隨著電子設(shè)備的高度集成，功耗和散熱問(wèn)題將面臨更大的考驗(yàn)，散熱設(shè)計(jì)作為設(shè)備可靠性的重要部分，也需要不斷創(chuàng)新，結(jié)合新方法，使用新材料，使用有限元仿真優(yōu)化，為產(chǎn)品性能的提升提供更大的空間。

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[4] GREG F. Thermal relief design for ADSP-TS201S Tiger-SHARC[J]. Processors, Engineer-to-Engineer Note, 2004,182(1): 2-4,7-9.

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張 宇(1985-)，男，碩士，工程師，主要從事計(jì)算機(jī)及外部設(shè)備加固技術(shù)研究。

Thermal Design of Rugged Terminal

ZHANG Yu

(State-OwnedNo.785FactoryThirdInstitute,Taiyuan030024,China)

By taking military rugged terminal thermal design as example, this paper proposes a complete thermal design theory and method for the high power military rugged electronic equipment. Through the optimization design and simulation analysis, the reliability of complete machine gets improved significantly. The malfunction of electronic communication equipment is mostly caused by overheated electronic components. With respect to the military rugged electronic equipment, failure rate caused by temperature factor has reached a very high value. Therefore, thermal design becomes a key technology for improving the reliability of electronic equipment, reducing product maintenance costs and increasing core competency. It′s helpful to reduce the failure rate of military rugged electronic equipment.

rugged terminal; thermal design; optimization design

2016-01-06

TN87;TK124

A

1008-5300(2016)02-0031-04