热分析技术在电子设备热设计中的应用

第28卷第2期长春工业大学学报(自然科学版)Vol 28. No. 22007 F6 Journal of Changchun University of Techonology( Natural Science Edition)热分析技术在电子设备热设计中的应用薛军1,孙宝玉刘巨2,郑旭浩(1.长春工业大学机电工程学院,吉林长春130012;2.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林长春130033)摘要:在传热学理论的基础上,介绍了 Icepak的特点及求解过程。以笔记本电脑为例,利用Icepak软件对电子设备的计算域进行仿真,并对其进行了热分析,讨论了散热方式的选择和具体的热设计,最终使其满足温度控制的要求。关键词:热分析;笔记本电脑; Icepak;可靠性中图分类号:TP391.9文献标识码:A文章编号: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引言热分析软件能够比较真实地模拟系统的热状况,能够在产品设计阶段对其进行热仿真,确定出热分析技术是提高电子产品可靠性的重要措模型中温度的最高点。通过对模型进行修改或施。当前,热失效是电子设备的主要失效形式之采取必要的散热措施,消除其热问题,使其最高温。据统计[,电子设备的失效有55%是温度度控制在允许的温度范围内,以达到设计要求超过规定值引起的。随着电子设备复杂性的增文中以笔记本电脑为例,利用 Icepak软件对加,电子设备的失效率随温度的增加呈指数增长电子设备进行热优化设计,来提高机箱的散热性趋势。所以,热设计是电子设备结构设计中不可能,使整个机箱中的元件温度能控制在容许温度忽略的一个环节,在对工作温度有较高要求的电之内,达到使用性能要求。子设备的结构设计中,必须进行结构的热设计。中国煤化工收稿日期:2006-07-18CNMHG基金项目:吉林省科技厅科学基金资助项目(20050537)作者简介:薛军(1977-),男,汉族,吉林梅河口人,长春工业大学硕士研充生,主要从事机械CAD/CAM/CAE方向研究.联系人:孙宝玉(1971-),女,汉族,吉林长春人,长春工业大学副教授,工学博士,主要从事机被CAD/CAM/CAE方向研3t,e-Mail:wdysbyl@163.com.第2期薛军,等:热分析技术在电子设备热设计中的应用1771电子学热分析软件及应用工况1.1 Icepak的特点Icepak是一个专业的电子设备热分析软件,它能够解决系统级部件级、封装级的热分析问题。它拥有用户模拟过程所需要的各种物理模型,可以模拟自然对流、强迫对流、混合对流、热传导、热辐射、流-固的耦合换热、层流、湍流、稳态、非稳态等流动现象,针对复杂的几何外形可生成三维四面体、六面体的非结构化网格,能够满足现代电子产品设计中几何形状越来越复杂的要求。求解采用有限体积法,以及 Fluent求解器,1.电源板;2电源模块;3.CPU芯片;4.CPU底板保证工程问题的计算精度。5.PCB板;6. PCMCIA卡;7.热源;8.通风口1.2应用工况9软驱;10.风扇;11.硬盘;12.不发热器件笔记本电脑的计算域包括一个硬盘、一个软图1计算域完整模型驱、一个CPU芯片、一块 PCMCIA卡,四块PCB板和一个电源模块整个系统由两个风扇和四个3模型热分析求解及计算结果分析通风口冷却,CPU的最高允许温度应在95℃。3.1模型热分析求解由于发热元件很多,总的发热功率达到70W,在开始求解之前,有必要估算一下模型的元件容许的最高温度为95℃的情况下,机箱中的 Reynolds数,看是否模拟了正确的流态。Reyn-温度有可能会超过极限温度。由于这些功放的价ods数是无量纲数,其大小与惯性力和黏性力的格比较昂贵功放的温度不能通过直接测量元件比值有关。惯性力会促使流体流动,具有不稳定表面温度获得,而 Icepak软件恰好解决了这个难的因素,而黏性力阻碍流动。因此, Reynolds数题。使用 Icepak软件可以在没有实际样机的情的大小是这两个因素强弱的对比。如果一种流动况下,仿真模拟机箱中各个元件的发热情况找出状态的 Reynolds数较大,则流动会趋于不稳定,温度分布情况。进而发展为湍流。反之,流动稳定,就处于层流状2热分析模型的建立惯性力就是动量的改变,表达式为:Icepak求解的一般过程为设定问题参数、建d立计算模型、网格划分、问题求解、结果显示在建模时,首先考虑机箱的大小,然后创建黏性力为:CPU芯片、CPU底板和PCB板的材料,最后创建du硬盘、软驱、 PCMCIA、CPU芯片、PCB板、电源、所以风扇和通风口的模型,具体分布如图1所示。惯性力、aLCPU芯片和PCB板的导热系数为Re15W/(m·K),CPU芯片的功率为10W;电源经过计算, Reynolds数是4200,因此流态是板一共两块,功率分别为2W和0.4W;创建了7湍流。对计算模型进行求解前,要先设置迭代步个热源以模拟芯片的功耗及PCB板上的功耗器数和收敛标准。 Icepak软件在流动和传热问题件;风扇共计2个,有CPU风扇和系统排风风扇。上个料古积即连缔方程(质量守恒方对于这个模型,一步就可生成网格,通过网格程)中国煤化工和能量守恒方程控制面板,可以设置X、Y、Z最大网格尺寸为(温CNMHG现其中任何一个0.02mm,壁面附近的网格质量足够好,可以正确方程不收敛,就需要终止求解,重新检查模型并查求解流场特性看网格划分是否有误,修改完后重新求解,直至迭178长春工业大学学报(自然科学版)第28卷代收敛。模型在自然对流散热情况下,CPU芯片温度云图如图2所示10g.0a797.951142271731.135819.9999翅片数/个图3温度与翅片数关系图考虑到结构的关系,最后选择6片翅片作为散热片。加散热器和热管后的仿真结果如图4所导热管图2cPU芯片温度云图3.2计算结果分析由计算结果可知,元件的最高温度(109.087℃)超过了设计要求的最高容许温度(95℃),这就需要对其釆取散热措施。比较简便有效的措施包括:①增加散热片;②加装风机强迫对流换热。为了减少元件工作时的噪音和维修,提高系统可靠性,改进的方法是在排风风扇附近放置一散热器,并通过热管连接到CPU芯片。散热器由底板和6个翅片组成。热管通过等效热传导系数来模拟,等效热传导系数由下式近似图4加散热器和热管后的模型求出:通过对初始模型以及修正模型的计算可以证点明,不同的结构将直接影响结构中元件的温度以式中:K一热传导系数,W/(m2·K);及整个机箱的温度分布。增加一个散热器和一个LP——长度,m;热管使CPU的温度降低了30℃,结果如图5和图6所示。A—截面面积,m2R—热管的热阻77.3638在加散热片时,散热片的位置如何放置,散热70.193363.0228片的翅片厚、翅间距、底板的尺寸为多少才能达到55.852440.6019最优,在 Icepak中可反复计算对比其结果。Ice-A1.5114pak本身提供了“参数式分析”来处理,也就是利34.3409用它的 trials功能,将散热片的某些参数设为变17z0.U00量,赋其一系列值, Icepak将同时计算出各种模型在不同厚度值时的求解结果。反复优化后的结果表明:底版贴在电源板上,具体尺寸为底板长中国煤化工43mm、底板厚4mm翅片厚度3mm、翅片间距CNMHG8mm、翅片高10mm、热管长121mm、热管厚4mm时比较合适。通过计算对比得到温度与翅片数量关系曲线,如图3所示图5cPU芯片、导热管、散热片温度云图第2期薛军,等:热分析技术在电子设备热设计中的应用179nt llowIcepak软件,通过对笔记本电脑计算域热控方案D.00000750的筛选、调整及优化过程,结果表明,在同一块7.50000PCB上,将生热率高的元器件通过有效散热器和6.25000500热传热管,可使最高温度降低30℃以上;采用强3.750002.50000迫对流冷却的方法则可进一步改善热场。如果将1:500结构设计和热控设计结合在一起,不但可以提高产品的设计质量,而且能提高产品的可靠性参考文献:[1]陈洁茹,朱敏波,齐颖. Icepak在电子设备热设计中的应用[].电子机械工程,2005,21(1):14-16.[2]李琴,朱敏波,刘海东,等.电子设备热分析技术及软件应用[].计算机辅助工程,2005,14(2):50图6CPU芯片、导热管、散热片热流场云图从109℃降到77℃,完全符合大多数CPU[3]方志强,付桂翠高泽溪电子设备热分析软件应用芯片最高温度95℃的限制。可见计算温度已经研究[J].北京航空航天大学学报,2003,29(8基本满足设计要求。737-74[4]陶文铨,杨世铭.传热学[M].北京:高等教育出版4结论社,2002工作时产生的热场对电子元器件,以及板级[5]孔巧玲.热管在笔记本电脑散热中的应用[J].电电路的性能和可靠性均构成较大的影响。应用脑开发与应用,2004,17(2):39-41中国煤化工CNMHG