熱分析技術(shù)在電子設備熱設計中的應用

第28卷第2期長(cháng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)Vol 28. No. 22007 F6 Journal of Changchun University of Techonology( Natural Science Edition)熱分析技術(shù)在電子設備熱設計中的應用薛軍1,孫寶玉劉巨2,鄭旭浩(1.長(cháng)春工業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院,吉林長(cháng)春130012;2.中國科學(xué)院長(cháng)春光學(xué)精密機械與物理研究所,吉林長(cháng)春130033)摘要:在傳熱學(xué)理論的基礎上,介紹了 Icepak的特點(diǎn)及求解過(guò)程。以筆記本電腦為例,利用Icepak軟件對電子設備的計算域進(jìn)行仿真,并對其進(jìn)行了熱分析,討論了散熱方式的選擇和具體的熱設計,最終使其滿(mǎn)足溫度控制的要求。關(guān)鍵詞:熱分析;筆記本電腦; Icepak;可靠性中圖分類(lèi)號:TP391.9文獻標識碼:A文章編號:1006-2939(2007)02-0176-04The application of thermal analysis technology inelectronic equipment thermal designXUE Jun, SUN Bao-yu, LIU Ju2, ZHENG Xu-hao(1. School of Mechatronic Engineering, Changchun University of Technology, Changchun 130012, Chinat2. Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of Sciences, Changchun 130033, China)Abstract: Based on theory of the heat transfer theory, here the features and its solution of Icepak isintroduced. Taking handy computer as an example, the calculation region of the electronic facilities isimulated by means of Icepak software, and the thermal analysis is carried. We discuss how to choosethe radiation ways, and the detailed thermal design to meet the need of temperature controlKey words: thermal analysis; handy computer; Icepak; reliability.0引言熱分析軟件能夠比較真實(shí)地模擬系統的熱狀況,能夠在產(chǎn)品設計階段對其進(jìn)行熱仿真,確定出熱分析技術(shù)是提高電子產(chǎn)品可靠性的重要措模型中溫度的最高點(diǎn)。通過(guò)對模型進(jìn)行修改或施。當前,熱失效是電子設備的主要失效形式之采取必要的散熱措施,消除其熱問(wèn)題,使其最高溫。據統計[,電子設備的失效有55%是溫度度控制在允許的溫度范圍內,以達到設計要求超過(guò)規定值引起的。隨著(zhù)電子設備復雜性的增文中以筆記本電腦為例,利用 Icepak軟件對加,電子設備的失效率隨溫度的增加呈指數增長(cháng)電子設備進(jìn)行熱優(yōu)化設計,來(lái)提高機箱的散熱性趨勢。所以,熱設計是電子設備結構設計中不可能,使整個(gè)機箱中的元件溫度能控制在容許溫度忽略的一個(gè)環(huán)節,在對工作溫度有較高要求的電之內,達到使用性能要求。子設備的結構設計中,必須進(jìn)行結構的熱設計。中國煤化工收稿日期:2006-07-18CNMHG基金項目:吉林省科技廳科學(xué)基金資助項目(20050537)作者簡(jiǎn)介:薛軍(1977-),男,漢族,吉林梅河口人,長(cháng)春工業(yè)大學(xué)碩士研充生,主要從事機械CAD/CAM/CAE方向研究.聯(lián)系人:孫寶玉(1971-),女,漢族,吉林長(cháng)春人,長(cháng)春工業(yè)大學(xué)副教授,工學(xué)博士,主要從事機被CAD/CAM/CAE方向研3t,e-Mail:wdysbyl@163.com.第2期薛軍,等:熱分析技術(shù)在電子設備熱設計中的應用1771電子學(xué)熱分析軟件及應用工況1.1 Icepak的特點(diǎn)Icepak是一個(gè)專(zhuān)業(yè)的電子設備熱分析軟件,它能夠解決系統級部件級、封裝級的熱分析問(wèn)題。它擁有用戶(hù)模擬過(guò)程所需要的各種物理模型,可以模擬自然對流、強迫對流、混合對流、熱傳導、熱輻射、流-固的耦合換熱、層流、湍流、穩態(tài)、非穩態(tài)等流動(dòng)現象,針對復雜的幾何外形可生成三維四面體、六面體的非結構化網(wǎng)格,能夠滿(mǎn)足現代電子產(chǎn)品設計中幾何形狀越來(lái)越復雜的要求。求解采用有限體積法,以及 Fluent求解器,1.電源板;2電源模塊;3.CPU芯片;4.CPU底板保證工程問(wèn)題的計算精度。5.PCB板;6. PCMCIA卡;7.熱源;8.通風(fēng)口1.2應用工況9軟驅;10.風(fēng)扇;11.硬盤(pán);12.不發(fā)熱器件筆記本電腦的計算域包括一個(gè)硬盤(pán)、一個(gè)軟圖1計算域完整模型驅、一個(gè)CPU芯片、一塊 PCMCIA卡,四塊PCB板和一個(gè)電源模塊整個(gè)系統由兩個(gè)風(fēng)扇和四個(gè)3模型熱分析求解及計算結果分析通風(fēng)口冷卻,CPU的最高允許溫度應在95℃。3.1模型熱分析求解由于發(fā)熱元件很多,總的發(fā)熱功率達到70W,在開(kāi)始求解之前,有必要估算一下模型的元件容許的最高溫度為95℃的情況下,機箱中的 Reynolds數,看是否模擬了正確的流態(tài)。Reyn-溫度有可能會(huì )超過(guò)極限溫度。由于這些功放的價(jià)ods數是無(wú)量綱數,其大小與慣性力和黏性力的格比較昂貴功放的溫度不能通過(guò)直接測量元件比值有關(guān)。慣性力會(huì )促使流體流動(dòng),具有不穩定表面溫度獲得,而 Icepak軟件恰好解決了這個(gè)難的因素,而黏性力阻礙流動(dòng)。因此, Reynolds數題。使用 Icepak軟件可以在沒(méi)有實(shí)際樣機的情的大小是這兩個(gè)因素強弱的對比。如果一種流動(dòng)況下,仿真模擬機箱中各個(gè)元件的發(fā)熱情況找出狀態(tài)的 Reynolds數較大,則流動(dòng)會(huì )趨于不穩定,溫度分布情況。進(jìn)而發(fā)展為湍流。反之,流動(dòng)穩定,就處于層流狀2熱分析模型的建立慣性力就是動(dòng)量的改變,表達式為:Icepak求解的一般過(guò)程為設定問(wèn)題參數、建d立計算模型、網(wǎng)格劃分、問(wèn)題求解、結果顯示在建模時(shí),首先考慮機箱的大小,然后創(chuàng )建黏性力為:CPU芯片、CPU底板和PCB板的材料,最后創(chuàng )建du硬盤(pán)、軟驅、 PCMCIA、CPU芯片、PCB板、電源、所以風(fēng)扇和通風(fēng)口的模型,具體分布如圖1所示。慣性力、aLCPU芯片和PCB板的導熱系數為Re15W/(m·K),CPU芯片的功率為10W;電源經(jīng)過(guò)計算, Reynolds數是4200,因此流態(tài)是板一共兩塊,功率分別為2W和0.4W;創(chuàng )建了7湍流。對計算模型進(jìn)行求解前,要先設置迭代步個(gè)熱源以模擬芯片的功耗及PCB板上的功耗器數和收斂標準。 Icepak軟件在流動(dòng)和傳熱問(wèn)題件;風(fēng)扇共計2個(gè),有CPU風(fēng)扇和系統排風(fēng)風(fēng)扇。上個(gè)料古積即連締方程(質(zhì)量守恒方對于這個(gè)模型,一步就可生成網(wǎng)格,通過(guò)網(wǎng)格程)中國煤化工和能量守恒方程控制面板,可以設置X、Y、Z最大網(wǎng)格尺寸為(溫CNMHG現其中任何一個(gè)0.02mm,壁面附近的網(wǎng)格質(zhì)量足夠好,可以正確方程不收斂,就需要終止求解,重新檢查模型并查求解流場(chǎng)特性看網(wǎng)格劃分是否有誤,修改完后重新求解,直至迭178長(cháng)春工業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)第28卷代收斂。模型在自然對流散熱情況下,CPU芯片溫度云圖如圖2所示10g.0a797.951142271731.135819.9999翅片數/個(gè)圖3溫度與翅片數關(guān)系圖考慮到結構的關(guān)系,最后選擇6片翅片作為散熱片。加散熱器和熱管后的仿真結果如圖4所導熱管圖2cPU芯片溫度云圖3.2計算結果分析由計算結果可知,元件的最高溫度(109.087℃)超過(guò)了設計要求的最高容許溫度(95℃),這就需要對其釆取散熱措施。比較簡(jiǎn)便有效的措施包括:①增加散熱片;②加裝風(fēng)機強迫對流換熱。為了減少元件工作時(shí)的噪音和維修,提高系統可靠性,改進(jìn)的方法是在排風(fēng)風(fēng)扇附近放置一散熱器,并通過(guò)熱管連接到CPU芯片。散熱器由底板和6個(gè)翅片組成。熱管通過(guò)等效熱傳導系數來(lái)模擬,等效熱傳導系數由下式近似圖4加散熱器和熱管后的模型求出:通過(guò)對初始模型以及修正模型的計算可以證點(diǎn)明,不同的結構將直接影響結構中元件的溫度以式中:K一熱傳導系數,W/(m2·K);及整個(gè)機箱的溫度分布。增加一個(gè)散熱器和一個(gè)LP——長(cháng)度,m;熱管使CPU的溫度降低了30℃,結果如圖5和圖6所示。A—截面面積,m2R—熱管的熱阻77.3638在加散熱片時(shí),散熱片的位置如何放置,散熱70.193363.0228片的翅片厚、翅間距、底板的尺寸為多少才能達到55.852440.6019最優(yōu),在 Icepak中可反復計算對比其結果。Ice-A1.5114pak本身提供了“參數式分析”來(lái)處理,也就是利34.3409用它的 trials功能,將散熱片的某些參數設為變17z0.U00量,賦其一系列值, Icepak將同時(shí)計算出各種模型在不同厚度值時(shí)的求解結果。反復優(yōu)化后的結果表明:底版貼在電源板上,具體尺寸為底板長(cháng)中國煤化工43mm、底板厚4mm翅片厚度3mm、翅片間距CNMHG8mm、翅片高10mm、熱管長(cháng)121mm、熱管厚4mm時(shí)比較合適。通過(guò)計算對比得到溫度與翅片數量關(guān)系曲線(xiàn),如圖3所示圖5cPU芯片、導熱管、散熱片溫度云圖第2期薛軍,等:熱分析技術(shù)在電子設備熱設計中的應用179nt llowIcepak軟件,通過(guò)對筆記本電腦計算域熱控方案D.00000750的篩選、調整及優(yōu)化過(guò)程,結果表明,在同一塊7.50000PCB上,將生熱率高的元器件通過(guò)有效散熱器和6.25000500熱傳熱管,可使最高溫度降低30℃以上;采用強3.750002.50000迫對流冷卻的方法則可進(jìn)一步改善熱場(chǎng)。如果將1:500結構設計和熱控設計結合在一起,不但可以提高產(chǎn)品的設計質(zhì)量,而且能提高產(chǎn)品的可靠性參考文獻:[1]陳潔茹,朱敏波,齊穎. Icepak在電子設備熱設計中的應用[].電子機械工程,2005,21(1):14-16.[2]李琴,朱敏波,劉海東,等.電子設備熱分析技術(shù)及軟件應用[].計算機輔助工程,2005,14(2):50圖6CPU芯片、導熱管、散熱片熱流場(chǎng)云圖從109℃降到77℃,完全符合大多數CPU[3]方志強,付桂翠高澤溪電子設備熱分析軟件應用芯片最高溫度95℃的限制?？梢?jiàn)計算溫度已經(jīng)研究[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報,2003,29(8基本滿(mǎn)足設計要求。737-74[4]陶文銓,楊世銘.傳熱學(xué)[M].北京:高等教育出版4結論社,2002工作時(shí)產(chǎn)生的熱場(chǎng)對電子元器件,以及板級[5]孔巧玲.熱管在筆記本電腦散熱中的應用[J].電電路的性能和可靠性均構成較大的影響。應用腦開(kāi)發(fā)與應用,2004,17(2):39-41中國煤化工CNMHG