基于FLOEFD的电子设备机箱的热仿真分析

徐秀琴 ,马晓琳,王天石

（中国电子科技集团公司第29研究所，四川 成都  610036）

摘要:随着电子设备的集成度逐渐提高，电子产品的热流密度也越来越大，散热问题是目前电子设备结构设计中首要要考虑的问题。本文以某电子产品机箱为例子，介绍了基于FLOEFD软件对其进行热分析的仿真过程，并且简要介绍了仿真过程中的一些经验应用，对于工程中使用该软件进行机箱热性能分析具有一定的参考意义。

关键词 电子设备  热分析  FLOEFD

0、前言

电子设备机箱被广泛应用于国防和民用的各个领域。随着电子技术的飞速发展，机箱的热流密度越来越大，这对机箱的热设计提出更高的要求，机箱内各模块的电子元器件一旦温度过高便无法可靠地工作。据研究表明，电子设备失效的原因有55％是由温度引起的[1]，过热损坏是电子设备失效的主要形式。根据阿伦纽斯模型显示，器件温度每升高10℃，其失效率就会增加一倍[2]。因此在机箱的结构设计阶段就需要考虑机箱的热设计。目前设计师在产品设计阶段主要运用热仿真软件对产品的热特性进行分析，以规避产品未来可能遇到的散热问题。目前主流的热仿真软件FLOEFD, Flotherm, ICEPAK在工程热分析中有广泛的应用。本文以FLOEFD为仿真软件，分析了某电子设备机箱的热仿真过程和结果, 验证器件在给定的环境和热负荷条件下是否能正常工作，对于不能正常工作的器件，提出改进措施。

1、机箱的结构布局

机箱主要由上板、底板、左右侧板、前后盖板及6个插件组成，如图1　所示。

图1 机箱结构布局

机箱的热设计以星体结构热传导为主，通过机箱安装面传导散热，以空间环境热辐射为辅，通过机箱外表面辐射散热。插件按排列顺序和母板的划分，垂直插入各自的导轨槽内，然后采用锁紧装置锁紧。插件内的印制板嵌入铝散热盒，尺寸略小于散热盒尺寸。同时选择热导率高、有利于导热的多层板设计且在大功耗元器件与散热面之间填充了导热填料。

机箱热分布情况如表1　：

表1 机箱热分布情况表

名称	外形尺寸	发热功率
A0模块	200×200	4.8W
A1模块	200×200	7.3W
A2模块	200×200	20.5W
A3模块	200×200	20.5W
A4模块	200×200	28.5W
A5模块	200×200	7.8W

2、热仿真模型与仿真方法

分机工作的最高环境温度：45℃、真空，热沉温度45℃，在图1中的下底面。机箱及模块盒体的材料为铝LY12（2024），其导热系数为138W/(m.℃)，为了减轻重量，在盒体底面凸起部位只保留约2mm厚度。印制板导热系数为0.35W/(m.℃)，厚度1.5mm。器件和盒体之间的导热绝缘垫厚度1~1.4mm，导热系数为1.2W/(m.℃)。分机的实际结构比较复杂，而一些细节部分对传热的影响可以忽略不计，比如，细小的台阶、少量的螺纹孔、倒角等等。分析模型适当简化删除一些几何特征有利于提高热分析精度，对整个温度场的分布不会有影响。机箱在FLOEFD中的仿真模型如下图2所示。

图2 机箱的热分析模型

3、热仿真结果

在模块的热仿真设置中，如果芯片的主要散热途径是通过模块的凸台散热，那么在仿真的过程中可以删除模块的印制板以减少仿真中网格的数量。在本次仿真中，各模块均以模块盒体的凸台散热，在器件和凸台之间垫上导热绝缘垫，各模块的仿真结果如下所示。

根据仿真中芯片的壳温，结合芯片的结温计算公式，可由芯片的壳温计算得到芯片的结温

                                      （1-1）

上式中，Ta为芯片的壳温，θjc为芯片到封装外壳的热阻，P为芯片的热耗，Tj为芯片结温。

图3 A0模块温度分布

A0模块中各个发热器件的温度情况见表2。

表2 A0发热器件温度情况

器件代号	功率	允许最高结温	一级降额允许结温	实际工作结温
1	1.5W	150℃	85℃	73.4℃
2	1W	150℃	85℃	66.6℃
3	1W	150℃	85℃	65.1℃
4	0.5W	125℃	85℃	56.4℃
5	0.8W	115℃	85℃	61.1℃

从可以看出，A0模块中各个器件的工作结温均低于一级降额允许结温。

图4 A1模块温度分布

根据计算结果，A1模块中各个发热器件的温度情况见表3。

表3 A1发热器件温度情况

器件代号	功率	允许最高结温	一级降额允许结温	实际工作结温
1	1.5W	150℃	85℃	77.9℃
2	0.8W	150℃	85℃	67.8℃
3	3W	125℃	85℃	59℃
4	1W	125℃	85℃	58.6℃
5	1W	125℃	85℃	58.8℃

从表3可以看出，A1模块中各个器件的工作结温均低于一级降额允许结温。

图5 A2模块温度分布

根据计算结果，模块中各个发热器件的温度情况见表4。

表4 A2发热器件温度情况

器件代号	功率	允许最高结温	一级降额允许结温	实际工作结温
1	4W	125℃	85℃	69.2℃
2	1W	125℃	85℃	61.2℃
3	1W	125℃	85℃	61.7℃
4	1W	125℃	85℃	62.6℃
5	1W	125℃	85℃	62.9℃
6	2.2W	150℃	85℃	80.7℃
7	2.2W	150℃	85℃	82.5℃
8	2.2W	150℃	85℃	82℃
9	2.2W	150℃	85℃	78.9℃
10	2.2W	150℃	85℃	76.1℃
11	1.5W	125℃	85℃	76℃

从表4可以看出，A2模块中各个器件的工作结温均低于一级降额允许结温。

图6 A4温度分布

根据计算结果，A4模块中模块中各个发热器件的温度情况见表9：

表5 A4发热器件温度情况

器件代号	功率	允许最高结温	一级降额允许结温	实际工作结温
1	4W	125℃	85℃	74℃
2	4W	125℃	85℃	76℃
3	4W	125℃	85℃	73℃
4	1W	125℃	85℃	65℃
5	1W	125℃	85℃	65.8℃
6	1W	125℃	85℃	66.6℃
7	1W	125℃	85℃	66.4℃
8	2.2W	150℃	85℃	83.6℃
9	2.2W	150℃	85℃	86.4℃
10	2.2W	150℃	85℃	86.5℃
11	2.2W	150℃	85℃	82.1℃
12	2.2W	150℃	85℃	79.1℃
13	1.5W	125℃	85℃	78.1℃

从表9可以看出，除器件9、器件10外，其余各个器件的工作结温均低于一级降额允许结温。器件9~器件11为高速AD，本模块按照输入5通道进行仿真，实际工作时模块输入为两通道，器件9~器件11均不安装，因此模块的热设计均满足I级降额要求。

图7 A5模块温度分布

根据计算结果，模块中各个发热器件的温度情况见表6。

表6 发热器件温度情况

器件代号	功率	允许最高结温	一级降额允许结温	实际工作结温
1	0.8W	125℃	85℃	67.9℃
2	0.8W	125℃	85℃	67.1℃
3	0.8W	125℃	85℃	65.3℃
4	0.8W	125℃	85℃	62.1℃
5	0.8W	125℃	85℃	68.7℃
6	1.5W	125℃	85℃	79.6℃
7	1.5W	125℃	85℃	78.3℃
8	0.8W	125℃	85℃	64.5℃

从表10可以看出，各个器件的工作结温均低于一级降额允许结温。

4、总结和展望

通过对机箱和模块的仿真分析表明，除了A4模块的器件9、器件10实际工作结温未满足一级降额要求外，其余模块的散热设计基本满足一级降额要求。在实际工作中器件9、器件10均不安装和使用，因此全部达到一级降额要求，机箱和模块的热设计也满足要求。

机箱的热沉温度是按45℃考虑的，实际工作中当热沉温度低于45℃时，模块发热器件的实际温度会有所降低。如果该设备是星载设备要在真空环境工作，接触热阻比相同条件下地面设备的接触热阻大，在设备安装时在导热途径的各个界面涂导热脂或者加装导热垫，传热性能会得到更大的改善，因此该机箱中的模块都满足热设计要求。

5、参考文献

[1]王磊.文耀普.固态发射机热设计与飞行验证[J].雷达学报，2014，3（3）：301-306。

[2]潘美娜.小型通信机箱的热分析及优化设计[D].上海交通大学，2014。

项目代号：国防科工局基础研究计划 JCKY2019210B004