發控盒散熱設計的熱仿真及熱測試分析

許連虎，楊科

（中國空空導彈研究院，河南 洛陽 471099）

電子設備工作時，元器件和設備的輸出功率往往只占輸入功率的一部分，其功率損失一般都以熱能形式散發出去，因而元器件和設備會發熱。隨著電子元器件及電子設備功率密度的不斷增加，溫度已成為影響其可靠性的主要因素之一[1—2]。

隨著溫度的升高，電子元器件及電子設備的失效率呈指數增長趨勢[2]，一般地，環境溫度每升高10℃，失效率增大1倍以上，因此稱為10℃法則[2—3]。據統計，超過55%的電子設備的失效是由溫度過高引起的[3—7]，也即，電子設備的主要失效形式是熱失效。

為保證設備的熱可靠性，散熱設計和熱分析已勢在必行。實際工作中，合理利用熱分析軟件進行熱設計，可提高產品一次成功率，從而縮短研制周期，降低成本[2]。某型發射裝置的發控盒所處工作環境惡劣，對其熱設計進行仿真和試驗驗證是有必要的。文中對該發控盒進行包括熱設計計算、熱仿真、熱測試在內的熱分析，以確定元器件溫度是否在允許的正常工作溫度范圍內，判斷其散熱設計是否滿足要求。

1 發控盒熱設計

發控盒安裝于發射裝置內部，受空間和環境的限制，且要考慮三防設計和電磁兼容設計，因此，發控盒采用密封結構，產品結構組成如圖1所示。

圖1 發控盒CAD數字樣機Fig.1 CAD digital model of emitting control box

為減輕發控盒整體質量，并提高熱傳導性能，發控盒結構件材料為鋁合金2A12；電路板材料為FR4，覆銅率10%；關鍵元器件的材料和功耗見表1。

發控盒的使用環境溫度為-55～70℃。對于冷卻方法的選擇，計算分析如下。

由表1可知，發控盒總功耗為QT=4.15 W。發控盒熱穩態下散熱表面的熱流密度按式（1）進行計算：

發控盒的最高環境溫度為70℃，考慮到其內部模塊、元器件的耐高溫性能（105～125℃），其內部溫升應控制在25～35℃范圍之內。電子設備自然冷卻散熱達到熱穩態條件下，內部溫升不超過25～35℃時，空氣自然冷卻散熱的熱流密度閾值一般在0.3×10-2～4.2×10-2W/cm2。根據設備的允許溫升和熱流密度冷卻方法選擇圖[11—12]，由計算結果可知，發控盒熱穩態下的熱流密度小于自然冷卻散熱的閾值，發控盒內部溫升應小于25℃，則模塊、器件的工作溫度小于95℃，發控盒自然冷卻散熱完全可以滿足散熱要求。

表1 元器件屬性Table 1 Component properties

2 熱仿真分析

文中基于電子設備熱仿真軟件FLOTHERM對發控盒進行建模和仿真分析。FLOTHERM基于計算流體動力學（CFD）理論，采用MonteCarlo法，用于解決三維流場及基于面積細分高精度的輻射計算問題。FLOTHERM采用的是有限體積法[8—10]。

結合產品CAD結構圖，并根據熱設計信息建立產品CFD數字樣機，如圖2所示。

圖2 發控盒CFD數字樣機Fig.2 CFD digital model of test product

受試產品在平臺環境25℃條件下，整機溫度分布如圖3所示。

圖3 整機溫度分布Fig.3 The global temperature distribution

含有高溫器件的電路板溫度分布如圖4所示。

圖6 各電路板溫度分布（環境溫度：25℃）Fig.6 The circuit board temperature distribution（ambient temperature：25 ℃）

微機板溫度分布如圖4a所示，其高溫器件的溫度見表2。2）接口板溫度分布如圖4b所示，其高溫器件的溫度見表3。發射板溫度分布如圖4c所示，其高溫器件的溫度見表4。

3 熱測試

根據熱仿真模型和結果，對溫升明顯的元器件設置溫度監測點，環境溫度25℃穩態熱測試結果見表5。

表2 微機板中的高溫器件Table 2 High-temperature components of the computer board

表3 接口板中的高溫器件（環境溫度：25℃）Table 3 High-temperature components of the interface board

表4 發射板中的高溫器件（環境溫度：25℃）Table 4 High-temperature components of the emitting board

表5 元器件熱測試結果（環境溫度：25℃）Table 5 Thermal Test Results of the Components

25℃下熱仿真和熱測試溫升結果對比分析見表6。由表6可知，仿真和測試溫升結果基本一致，仿真分析有效可信。

發控盒70℃高溫環境下熱仿真結果見表7，由表7可知，元器件溫度均未超過最高允許工作溫度。

表6 元器件熱仿真和熱測試溫升結果（環境溫度：25℃）Table 6 Thermal simulation and thermal test temperature rise results of the components(ambient temperature:25℃)

表7 發控盒元器件溫度（環境溫度：70℃）Table 7 Components temperature of the emitting control box(ambient temperature:70℃)

4 結論

借助熱仿真分析軟件可以快速、準確地得到系統的熱設計分析結果，給出設備的溫度場分布以及元器件溫度，從而使設計者對設備的散熱能力有直觀、準確的了解，及時發現設計中的問題并予以修改，迭代進行設計和仿真，使其最終滿足技術要求[11—13]。

文中利用熱仿真軟件FLOTHERM，模擬計算了發控盒內部的溫度場分布特性。在初始溫度25℃時，對發控盒進行穩態仿真，通過仿真發現，微機板局部溫度最高達到51.7℃，5個元器件溫度偏高；接口板局部溫度最高達到48.5℃，2個元器件溫度較高；發射板局部溫度最高達到44.7℃，1個元器件溫度較高。25℃下熱測試結果與熱仿真的計算結果基本一致，表明熱分析結果是有效、可信的。由70℃仿真結果可知，元器件溫升均未超過最高允許工作溫度，滿足熱設計要求。

為降低微機板元器件溫升，建議在后續階段的設計過程中適當改進電路設計，分散布置大功耗器件，尤其應關注高溫器件DCDC模塊1N1，注意其選型并進行必要的降額、散熱設計。

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