某模块热优化设计

摘要：电子设备热设计是设备工作可靠性的重要保证。本文在某模块开发初期，在模块尚未生产时，通过仿真软件得到模块仿真云图。通过仿真云图找到热薄弱点。根据某模块散热形式和仿真温度云图，进行了模块热设计优化。最后通过热仿真验证了优化路径的有效性。

关键词：电子设备；模块；热

引言

电子产品长期工作在恶劣的热环境条件下，会加速元器件的失效速率。有研究数据表明，在诸多引起电子元器件失效的因素中，超温工作引起的失效占55%[1]。电子元器件工作温度每升高10℃，其可靠性降低60%[2]。良好的热环境可以保证元器件工作的稳定性。

电子设备的功能单元设计不断优化，由积木模式发展为模块形式。设备的结构外形也随功能单元设计为模块形式。这种模块化设计有维修便捷、互换性高等诸多优点。但模块散热尺寸有限制，设备热设计问题需着重考虑[3]。

由于模块散热需在有限的尺寸范围内实现，且热环境影响模块可靠性，因此，模块热设计是电子设备设计中的一个重要环节。

在模块生产调试前了解模块热分布情况，可提前释放模块超温工作风险，节约产品交付时间周期。为预估模块热分布情况，需对模块进行热场分析。通过仿真的方式可模拟模块实际工作中的热场。根据热场分布进行热设计优化。从而改善元器件工作热环境。最总达到提高元器件工作可靠性的目的。

1热仿真模型

1.1模块布局

某模块由盒体、盖板、锁紧条、印制板、散热元器件、对外连接器等组成。其中散热元器件固定于印制板上，印制板通过紧固件安装于盒体上，散热器件通过导热材料贴于盒体上。某模块器件布局如图1所示。

1.2模块散热方式

某模块通过锁紧条压装于分机上，模块通过散热面将热量传递到分机上，再通过分机将热散发出去。散热方式如图2所示。

1.3热负荷

某模块内发热器件有：器件A1、A2、A3、B、C、D，散热器件安装于印制板上。模块内元器件热耗分布如表1所示。

从表中可以看出：散热量主要集中在A1、A2、A3上，且A1、A2、A3尺寸较小，热流密度较高。

2仿真分析

分机提供的热沉温度为45℃。将设计的某模块模型导入FLOEFD软件进行热仿真。在软件中输入器件热耗、热阻、材料、温度等信息。软件反复迭代后，生成仿真结果。某模块内器件温度云图如图3所示。

从仿真温度云图可以看出，模块内热耗大的器件A1、A2、A3处温度较高，最高温度温为102.09℃。器件A1壳温为101.89℃（允许工作壳温120℃）；器件A2壳温为102.09℃（允许工作壳温120℃）；器件A3壳温为100.92℃（允许工作壳温120℃）；器件B壳温为91.22℃（允许工作壳温110℃）；器件C壳温为69.34℃（允许工作壳温105℃）；器件D壳温为67.63℃（允许工作壳温105℃）。

从仿真数据看出，各器件能正常工作。但是器件A1、A2、A3工作温度较高，C、D工作温度较低。

3优化

3.1存在的问题

从仿真温度云图看出，某模块内器件工作温度分布不均，且器件工作温度较高。低温区域靠近散热面，高温器件远离低温区域。模块热设计有优化的必要。

3.2优化措施

某模块散热器件的散热路径有如下几条：1、器件安装于印制板上，热量传递到印制板上，通过印制板辐射散热；2、器件将热量传递到盒体上，从盒体散热；3、器件自身辐射散热。

从散热路径和温度云图考虑如下优化措施：1、将热耗大的器件靠近散热面布置；2、增加盒体底板厚度。优化后模型如图4所示。

3.3优化后仿真

将优化后的某模块模型导入FLOEFD软件，进行仿真运算。此次输入的仿真参数和优化前输入的仿真参数完全相同。通过迭代，得出仿真结果。优化后模块内器件温度云图如图5所示。

从仿真温度云图可以看出，件A1壳温为87.44℃；器件A2壳温为88.15℃；器件A3壳温为86.31℃；器件B壳温为75.47℃；器件C壳温为74.34℃；器件D壳温为74.85℃。

对比优化前后器件温度可知，优化后器件A1、A2、A3、B温度明细降低；器件C、D温度小幅度上升，但离最高允许壳温较远。因此，优化措施有效。

4结束语

电子设备良好的热环境是设备工作可靠性的重要保障。本文在某模块设计模型基础上，通过仿真软件对模块进行热仿真。通过仿真发现了模块设计中热薄弱环节。根据仿真结果和传热路径，优化了散热板的厚度和模块布局，降低了元器件工作温度。可为类似模块的设计提供参考。

参考文献

[1]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].华东船舶工业学成学报，2003，8（4）：9-12.

[2]齐永强，何雅玲，张伟，等.电子设备热设计的初步研究[J].现代电子技术，2003（1）：73-76.

[3]赵三军，曹平，朱建龙，等.综合模块化航空电子设备液冷散热研究进展[J].低温与超导，2022，50（11）.

陈刚（1988-），男，工程师，主要从事结构设计工作。