張立健，張?zhí)?，范鵬杰，江彬

（中國船舶集團(tuán)有限公司 第七二三研究所，江蘇 揚(yáng)州 225101）

0 引言

隨著電子工藝技術(shù)的不斷發(fā)展，集成模塊向著輕薄、小型化發(fā)展。由于電子器件功率逐步攀升，導(dǎo)致器件熱流密度不斷增大。器件的發(fā)熱是導(dǎo)致產(chǎn)品可靠性變差的重要因素。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段進(jìn)行熱設(shè)計(jì)仿真，可以模擬出元器件表面溫度分布[1]。掌握器件表面溫度后，可以對模型結(jié)構(gòu)做出合理調(diào)整以改進(jìn)散熱措施[2]。

集成模塊熱設(shè)計(jì)中，電子元器件熱流密度低于5 W/cm2時，一般采用風(fēng)冷散熱形式,本文中集成模塊采用開放隔離式風(fēng)冷散熱形式[3]，其特征在于：集成模塊盒內(nèi)部設(shè)置風(fēng)道，風(fēng)道內(nèi)設(shè)置散熱齒。盒體兩側(cè)端面對稱布置風(fēng)道對接面，用于集成模塊風(fēng)道連接；盒體正反面分別安裝組件和組件電源，組件和組件電源安裝接觸面涂覆導(dǎo)熱硅脂，降低組件與盒體之間的熱阻。本文運(yùn)用熱分析軟件FloEFD對某集成模塊進(jìn)行了散熱優(yōu)化設(shè)計(jì)。針對風(fēng)道散熱齒布局與散熱齒結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行數(shù)值試驗(yàn)及響應(yīng)優(yōu)化，得到散熱齒布局的最優(yōu)方案。通過仿真結(jié)果分析，為開放隔離式集成模塊的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

1.1 結(jié)構(gòu)模型

集成模塊工作的環(huán)境溫度為55 ℃，組件的芯片最高耐溫為80 ℃。集成模塊水平放置，其外形尺寸為580 mm×190 mm×60 mm。集成模塊盒內(nèi)部設(shè)置風(fēng)道，風(fēng)道內(nèi)設(shè)置散熱齒。模塊的正反兩側(cè)布置發(fā)熱器件，器件貼著冷板安裝，正面為熱源1（50 W）、熱源2（120 W）、熱源3（20 W）。背面為熱源4（40 W）、熱源5（20 W）、熱源6（35W）。集成模塊俯視圖如 圖1 （a）所示，集成模塊仰視圖如圖1（b）所示。

圖1 集成模塊布置示意圖

1.2 仿真設(shè)計(jì)

集成模塊散熱齒布局設(shè)為兩種，齒片沿組件長邊布置與齒片垂直組件長邊布置。方案一：冷板中齒片沿組件長邊布置，其結(jié)構(gòu)如圖2（a）所示，風(fēng)道布局如圖2（b）所示。集成模塊為左側(cè)進(jìn)風(fēng)，右側(cè)出風(fēng)，散熱齒高10 mm（散熱齒與殼體為一體），齒厚2 mm，齒間距5 mm，集成模塊左側(cè)布置2個軸流風(fēng)機(jī)。方案二：冷板中齒片垂直組件長邊布置，其結(jié)構(gòu)如圖3（a）所示，風(fēng)道布局如圖3（b）所示。集成模塊為前側(cè)進(jìn)風(fēng)，后側(cè)出風(fēng)，散熱齒高10 mm，齒厚2 mm，齒間距5 mm。集成模塊前側(cè)布置2個軸流風(fēng)機(jī)。

圖2 齒片沿組件長邊布置結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 齒片垂直組件長邊布置結(jié)構(gòu)示意圖

本文基于FloEFD進(jìn)行集成模塊散熱數(shù)值仿真，F(xiàn)loEFD為通用電子散熱仿真平臺，對熱仿真具有成熟經(jīng)驗(yàn)。對該集成模塊進(jìn)行建模與網(wǎng)格劃分，對內(nèi)部腔體散熱齒片、發(fā)熱組件模塊、進(jìn)出口處進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化處理[4]。數(shù)值計(jì)算方法大概可分為DNS方法，RANS方法及LES方法3類。對于集成模塊的散熱研究，本文采用的為k-ω SST湍流模型。計(jì)算運(yùn)用SIMPLE算法進(jìn)行迭代求解，設(shè)定溫度殘差值降于5以下，同時溫度監(jiān)控點(diǎn)保持在20步迭代范圍內(nèi)，溫度變化小于1 ℃，認(rèn)為仿真結(jié)果收斂[5]。

2 結(jié)果與分析

2.1 兩種齒片布局散熱分析

數(shù)值計(jì)算完成后，得到兩種布局下集成模塊主要散熱器件溫度分布和集成模塊周圍流體跡線圖，如圖4、圖5所示。

圖4 散熱齒兩種布局時主要散熱組件溫度分布圖

圖5 散熱齒兩種布局時集成模塊周圍流體跡線圖

由圖4（a）可以看出：散熱齒沿組件長邊布置時，組件的最高溫度為71.9 ℃、71.8℃，低于最高溫度80 ℃，滿足散熱要求。由圖4（b）可以看出：散熱齒垂直組件長邊布置時，組件的最高溫度為74.9 ℃、75.6 ℃。通過改變散熱齒方向布局，組件最高溫度相差4 ℃。通過圖5（a）的流場跡線圖可以發(fā)現(xiàn)，散熱齒沿組件長邊時，空氣大部分流經(jīng)盒體中的散熱風(fēng)道，通過齒片的空氣流量約為15.5 CFM。通過圖5（b）的流場跡線圖可以發(fā)現(xiàn)，散熱齒垂直組件長邊時，空氣流經(jīng)盒體的風(fēng)量相對較少，通過齒片的空氣流量約為12.4 CFM?？梢缘贸鼋Y(jié)論：散熱齒布局對散熱有較大影響，齒片沿組件長邊布置時，空氣流量更大散熱效果更佳，齒片垂直組件長邊布置時散熱效果不佳。

2.2 齒片結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

開放隔離式集成模塊中，盒體內(nèi)部風(fēng)道的齒高、齒厚及齒間距對散熱效果有較大影響。針對齒片沿組件長邊布置的結(jié)構(gòu)形式，對風(fēng)道中的齒高、齒厚及齒間距的參數(shù)組合進(jìn)行優(yōu)化，以提高散熱效率。本文所定義的齒高、齒厚與齒間距如圖6所示。

圖6 散熱齒高、齒厚與齒間距示意圖

將齒高、齒厚及齒間距3種參數(shù)作為輸入變量創(chuàng)建仿真方案，組件的中心溫度設(shè)為目標(biāo)函數(shù)。采取3因素5水平正交表（如表1）的設(shè)計(jì)方法，根據(jù)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化方案形成正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)表，將試驗(yàn)方案列入表2中。依據(jù)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)表，共有25組仿真方案。試驗(yàn)方案計(jì)算完成后，通過響應(yīng)面結(jié)果得出，該試驗(yàn)的最佳參數(shù)組合為：齒高30 mm, 齒厚2 mm, 齒間距4 mm（如表3），最佳參數(shù)組合所計(jì)算的熱源溫度為66.8℃，比初始仿真結(jié)果降低了5 ℃左右。

表1 正交試驗(yàn)因素水平表

表2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)表

表3 散熱齒參數(shù)最優(yōu)組合表

2.3 齒片結(jié)構(gòu)參數(shù)影響分析

根據(jù)25組數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果，得到熱源的表面溫度隨著齒高、齒厚和齒間距的改變而變化分布曲線，如圖7～圖9所示。圖7為不同齒高情況下齒間距對熱源溫度的影響，圖8為不同齒高情況下齒厚對熱源溫度的影響，圖9為不同齒厚情況下齒間距對熱源溫度的影響。

圖7 不同齒片高度情況下齒間距對熱源溫度的影響

圖8 不同齒片高度情況下齒厚對熱源溫度的影響

圖9 不同齒厚情況下齒間距對熱源溫度的影響

由圖7可以看出，在任意齒間距下，隨齒高的增加，熱源的最高溫度是不斷降低的。分析其原因：當(dāng)齒高增加時，散熱面積增大，導(dǎo)致熱源溫度的降低。但是，在任意齒高條件下，熱源最低溫度對應(yīng)的齒間距不是唯一的，最優(yōu)的齒間距范圍在4～5 mm。分析其原因：齒間距過小時，由于流體的黏滯作用,空氣流通不佳。齒間距過大時，齒片個數(shù)降低，齒片散熱面積減小。齒間距在4～5 mm時，冷板散熱效果最佳。

從圖8可以看出，在任意齒厚條件下，隨著齒高增加，熱源的最高溫度是不斷降低的。分析其原因：當(dāng)齒高增加時，散熱面積增大，導(dǎo)致熱源溫度的降低。在任意齒高的條件下，隨著齒厚降低，熱源的最高溫度是不斷降低的。分析其原因：隨著齒厚降低，齒片個數(shù)隨之增加，散熱面積增加，從而提升冷板換熱效率。

從圖9可以看出，齒厚與齒間距對散熱的影響是關(guān)聯(lián)的，當(dāng)齒厚由1 mm增加到4 mm時，最優(yōu)的齒間距是在4～5 mm范圍內(nèi)。對于1～2 mm厚的冷板齒片，最優(yōu)的齒片間距在4 mm左右；對于2.5～4 mm厚的冷板齒片，最優(yōu)的齒片間距在5 mm左右。分析其原因:齒間距過小時，由于流體的黏滯作用,空氣流通不佳。齒間距過大時，齒片個數(shù)降低，齒片散熱面積減小。在任意齒厚情況下，均能找到一組齒間距使得熱源溫度達(dá)到最低。

3 結(jié)語

本文運(yùn)用FloEFD軟件對某集成模塊的散熱方案進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過散熱仿真計(jì)算結(jié)果，得到合理的散熱齒布局。使用3因素5水平正交試驗(yàn)法，得出熱源溫度最低時，集成模塊散熱齒結(jié)構(gòu)參數(shù)組合。分析數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果，得到以下結(jié)論：

1）在開放隔離式集成模塊中，齒片沿組件長邊布置時散熱效果更佳，齒片垂直組件長邊時散熱效果不佳。

2）散熱齒結(jié)構(gòu)參數(shù)對散熱影響較大，在允許范圍內(nèi)，隨著齒高的增加，散熱效果更好。

3）齒厚與齒間距對散熱的影響是關(guān)聯(lián)的，對于1～2 mm厚的散熱齒片，最優(yōu)的齒片間距在4 mm；對于2.5～4 mm厚的散熱齒片，最優(yōu)的齒片間距在5 mm左右。