发控盒散热设计的热仿真及热测试分析

许连虎，杨科

（中国空空导弹研究院，河南 洛阳 471099）

电子设备工作时，元器件和设备的输出功率往往只占输入功率的一部分，其功率损失一般都以热能形式散发出去，因而元器件和设备会发热。随着电子元器件及电子设备功率密度的不断增加，温度已成为影响其可靠性的主要因素之一[1—2]。

随着温度的升高，电子元器件及电子设备的失效率呈指数增长趋势[2]，一般地，环境温度每升高10℃，失效率增大1倍以上，因此称为10℃法则[2—3]。据统计，超过55%的电子设备的失效是由温度过高引起的[3—7]，也即，电子设备的主要失效形式是热失效。

为保证设备的热可靠性，散热设计和热分析已势在必行。实际工作中，合理利用热分析软件进行热设计，可提高产品一次成功率，从而缩短研制周期，降低成本[2]。某型发射装置的发控盒所处工作环境恶劣，对其热设计进行仿真和试验验证是有必要的。文中对该发控盒进行包括热设计计算、热仿真、热测试在内的热分析，以确定元器件温度是否在允许的正常工作温度范围内，判断其散热设计是否满足要求。

1 发控盒热设计

发控盒安装于发射装置内部，受空间和环境的限制，且要考虑三防设计和电磁兼容设计，因此，发控盒采用密封结构，产品结构组成如图1所示。

图1 发控盒CAD数字样机Fig.1 CAD digital model of emitting control box

为减轻发控盒整体质量，并提高热传导性能，发控盒结构件材料为铝合金2A12；电路板材料为FR4，覆铜率10%；关键元器件的材料和功耗见表1。

发控盒的使用环境温度为-55～70℃。对于冷却方法的选择，计算分析如下。

由表1可知，发控盒总功耗为QT=4.15 W。发控盒热稳态下散热表面的热流密度按式（1）进行计算：

发控盒的最高环境温度为70℃，考虑到其内部模块、元器件的耐高温性能（105～125℃），其内部温升应控制在25～35℃范围之内。电子设备自然冷却散热达到热稳态条件下，内部温升不超过25～35℃时，空气自然冷却散热的热流密度阈值一般在0.3×10-2～4.2×10-2W/cm2。根据设备的允许温升和热流密度冷却方法选择图[11—12]，由计算结果可知，发控盒热稳态下的热流密度小于自然冷却散热的阈值，发控盒内部温升应小于25℃，则模块、器件的工作温度小于95℃，发控盒自然冷却散热完全可以满足散热要求。

表1 元器件属性Table 1 Component properties

2 热仿真分析

文中基于电子设备热仿真软件FLOTHERM对发控盒进行建模和仿真分析。FLOTHERM基于计算流体动力学（CFD）理论，采用MonteCarlo法，用于解决三维流场及基于面积细分高精度的辐射计算问题。FLOTHERM采用的是有限体积法[8—10]。

结合产品CAD结构图，并根据热设计信息建立产品CFD数字样机，如图2所示。

图2 发控盒CFD数字样机Fig.2 CFD digital model of test product

受试产品在平台环境25℃条件下，整机温度分布如图3所示。

图3 整机温度分布Fig.3 The global temperature distribution

含有高温器件的电路板温度分布如图4所示。

图6 各电路板温度分布（环境温度：25℃）Fig.6 The circuit board temperature distribution（ambient temperature：25 ℃）

微机板温度分布如图4a所示，其高温器件的温度见表2。2）接口板温度分布如图4b所示，其高温器件的温度见表3。发射板温度分布如图4c所示，其高温器件的温度见表4。

3 热测试

根据热仿真模型和结果，对温升明显的元器件设置温度监测点，环境温度25℃稳态热测试结果见表5。

表2 微机板中的高温器件Table 2 High-temperature components of the computer board

表3 接口板中的高温器件（环境温度：25℃）Table 3 High-temperature components of the interface board

表4 发射板中的高温器件（环境温度：25℃）Table 4 High-temperature components of the emitting board

表5 元器件热测试结果（环境温度：25℃）Table 5 Thermal Test Results of the Components

25℃下热仿真和热测试温升结果对比分析见表6。由表6可知，仿真和测试温升结果基本一致，仿真分析有效可信。

发控盒70℃高温环境下热仿真结果见表7，由表7可知，元器件温度均未超过最高允许工作温度。

表6 元器件热仿真和热测试温升结果（环境温度：25℃）Table 6 Thermal simulation and thermal test temperature rise results of the components(ambient temperature:25℃)

表7 发控盒元器件温度（环境温度：70℃）Table 7 Components temperature of the emitting control box(ambient temperature:70℃)

4 结论

借助热仿真分析软件可以快速、准确地得到系统的热设计分析结果，给出设备的温度场分布以及元器件温度，从而使设计者对设备的散热能力有直观、准确的了解，及时发现设计中的问题并予以修改，迭代进行设计和仿真，使其最终满足技术要求[11—13]。

文中利用热仿真软件FLOTHERM，模拟计算了发控盒内部的温度场分布特性。在初始温度25℃时，对发控盒进行稳态仿真，通过仿真发现，微机板局部温度最高达到51.7℃，5个元器件温度偏高；接口板局部温度最高达到48.5℃，2个元器件温度较高；发射板局部温度最高达到44.7℃，1个元器件温度较高。25℃下热测试结果与热仿真的计算结果基本一致，表明热分析结果是有效、可信的。由70℃仿真结果可知，元器件温升均未超过最高允许工作温度，满足热设计要求。

为降低微机板元器件温升，建议在后续阶段的设计过程中适当改进电路设计，分散布置大功耗器件，尤其应关注高温器件DCDC模块1N1，注意其选型并进行必要的降额、散热设计。

[1] 吕永超，杨双根.电子设备热分析、热设计及热测试技术综述及最新进展[J].电子机械工程，2007，23（1）：5—10.LYU Yong-chao，YANG Shuang-gen.A Review of Thermal Analysis，Thermal Design and Thermal Test Technology and Their Recent Development[J].Electro-Mechanical Engineering，2007，23（1）：5—10.

[2] 于慈远，于湘珍，杨为民.电子设备热分析/热设计/热测试技术初步研究[J].微电子学，2000，30（5）：334—337.YU Ci-yuan，YU Xiang-zhen，YANG Wei-min.A Preliminary Study on the Techniques for Thermal Analysis/Design/Test of Electronic Equipments[J].Microelectronics，2000，30（5）：334—337.

[3]TR-82-172，可靠性工程师热设计指南[S].TR-82-172，Reliability Engineer Thermal Design Guide[S].

[4]国防科工委军用标准化中心.电子设备可靠性热设计手册实施指南[M].北京：国防工业出版社，1992.CSTIND Military Standardization Center.Electronic Equipment Reliability Thermal Design Guide Implementation Guide[M].Beijing：National Defense Industry Press，1992.

[5] JANICKIM，NAPIERALSKIA.Modeling Electronic Circuit Radiation Cooling Using Analytical Thermal Model[J].Microelectronics Journal，2000，31：781—785.

[6] 姚寿广，马哲树，罗林，等.电子电器设备中高效热管散热技术的研究现状及发展[J].华东船舶工业学院学报，2003（4）：9—12.YAO Shou-guang，MA Zhe-shu，LUO Lin，et al.Improvement of Heat Pipe Technique for High Heat Flux Electronics Cooling[J].Journal of East China Shipbuilding Institute，2003（4）：9—12.

[7]BELHARDJ S，MIMOUNI S，SAIDANE A，et al.Using Microchannels to Cool Microprocessors：a Transmission-Line-Matrix Study[J].Microelectronics Journal，2003（34）：247—253.

[8] 邱成悌，蒋全兴.电子设备结构设计原理[M].南京：东南大学出版社，2001.QIU Cheng-ti，JIANG Quan-xing.Electronic Equipment Design Theory[M].Nanjing：Southeast University Press，2001.

[9] 周筱洁.求解不可压流体N-S方程的四阶精度有限容积紧致格式[J].苏州大学学报，2005，21（3）：1—8.ZHOU Xiao-jie.A Fourth-order Finite Volume Compact Method for the Incompressible Navier-Stokes Equations[J].Journal of Soochow University，2005，21（3）：1—8.

[10]付桂翠，王香芬，姜同敏.高可靠性航空电子设备热分析中的有限体积法[J].北京航空航天大学学报，2006，32（6）：716—720.FU Gui-cui，WANG Xiang-fen，JIANG Tong-min.Finite Volume Method in Thermal Analysis of Avionics[J].Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics，2006，32（6）：716—720.

[11]赵惇殳.电子设备热设计[M].北京：电子工业出版社，2009.ZHAO Dun-shu.Thermal Design of Electronic Equipment[M].Peking：Electronic Industry Press，2009.

[12]GJB/Z 27—92，电子设备可靠性热设计手册[S].GJB/Z 27—92，Electronic Equipment Reliability Thermal Design Guide[S].

[13]刘家磊，蔡琦，张杨伟，等.稳压器在船用核反应堆舱室散热的模拟研究[J].四川兵工学报，2013（11）：48—51.LIU Jia-lei，CAI Qi，ZHANG Yang-wei，et al.Simulation of Heat Transfer of Pressurizer in Ship Nuclear Power Plant Cabin[J].Journal of Sichuan Ordnance，2013（11）：48—51.