2006年第22卷第4期 电子机械工程 2006 Vol 22 No 4 Electro- M echan ial Eng neerig 散热器优化设计 崔万新,韩宁,段宝岩,马伯渊 (西安电子科技大学机电工程学院,陕西西安710071) 摘要:采用针肋式散热器对密封电子设备进行自然冷却时,为了获得最佳温度场主要相关参数的取 值,运用正交试验的方法,对肋厚肋长肋高三要素进行优化设计。结果表明,该方法不仅能够得到参 数的最佳组合,而且可以确定其对温度影响的敏感度 关键词:散热器;正交试验;优化设计 中图分类号:N30594文献标识码:A文章编号:1008-5300(2006)04-0007-03 Optm ized design of Heat sink CU IW an-xn, HAN Nng, DUAN Bao-yan, MA Bo-yuan (School of Mechan ical and E lectron ic Eng ineering, Xidian University, Xi'an 710071, China, Abstract: In order to obtain op tmal temperature field, the main re levant parameters of the heat sink need to e deem ined, when using p in- fin type heat sink in self-cooling techn ique for sealed electonic equpment The orthogonal experment app oach of op tm izing the p in dep th, pin length, and p in height of the heat sink was app lied The results show that this me thod can get op tmal com bination of these parameters, and deter m ine the sensitivity of the parameters b temperature Key words: heat sink; orthogonal experment op tm ized design 0引言 响系统电气运行的液体中,通过传导和对流将热量直 接传给液体,适用于体积功率密度较高的电子元器件 电子设备的主要失效形式是热失效。随着温度的或部件,也适用于那些必须在高温环境条件下工作、且 增加,其失效率呈指数增长趋势口。据研究,电子设元器件与被冷却表面之间的温度梯度又很小的部件 备的失效有55%是温度超过规定的值引起的。因 (3)蒸发冷却方法。电子元件耗散的热量将液体 此,对电子设备而言,即使是降低1℃也将使设备的失沸腾产生蒸汽而放出热量,适用于体积功率密度很高 效率降低一个可观的量值,这对可靠性高的电子系统的元器件或部件; 尤为重要。 (4)热电制冷方法由载流子流过半导体节点时 势能的变化而引起的能量传递,适用于不需要外界动 1密封式电子设备热控制方法 力而产生负热阻的制冷技术 (5)热管技术。由于采用了相变传热,因此是 电子设备的热控制,首先从确定元器件或设备的种传热效率很高的导热器件热管使用时关键是减小 冷却方法开始。冷却方法的选择直接影响元器件或设两端接触界面上的热阻 备的组装设计、可靠性、重量和成本等。对于密封式电 由于环境适应性的要求,一些产品要求小型化 子设备的热控制可采用下面几种方法 重量轻、抗高低温、耐湿热和高强度,这就决定了机箱 (1)自然冷却方法。通过导热、自然对流和辐射为全密封机箱,且散热设计以导热方式为主。由此考 换热的单独作用或两种以上换热形式的组合进行冷虑可确定各设计环节:RB优化设计、导热板设计和机 却 箱外壳散热设计以。文中则讨论机箱外壳散热设计 (2)直接液体冷却方法。使电子元件浸没在不影中的针肋散热器设计和优化。 收稿日期:2006-01-12 C1994-2009chinaAcademicournalElectronicPublishingHouseallrightsreservedhttp://nn.cnki.ner
散热器优化设计 3 崔万新 ,韩 宁 ,段宝岩 ,马伯渊 ( 西安电子科技大学机电工程学院 , 陕西 西安 710071) 摘 要 :采用针肋式散热器对密封电子设备进行自然冷却时 ,为了获得最佳温度场主要相关参数的取 值 ,运用正交试验的方法 ,对肋厚、肋长、肋高三要素进行优化设计。结果表明 ,该方法不仅能够得到参 数的最佳组合 ,而且可以确定其对温度影响的敏感度。 关键词 :散热器 ;正交试验 ;优化设计 中图分类号 : TN305. 94 文献标识码 : A 文章编号 : 1008 - 5300 (2006) 04 - 0007 - 03 Optimized Design of Heat Sink CU IW an2xin, HAN N ing,DUAN Bao 2yan,MA Bo 2yuan (School of M echan ical and Electronic Eng ineering, X idian U niversity, X i′an 710071, China) Abstract: In order to obtain op timal temperature field, the main relevant parameters of the heat sink need to be determ ined, when using p in - fin type heat sink in self2cooling technique for sealed electronic equipment. The orthogonal experiment app roach of op tim izing the p in dep th, p in length, and p in height of the heat sink was app lied. The results show that this method can get op timal combination of these parameters, and deter2 m ine the sensitivity of the parameters to temperature. Key words: heat sink; orthogonal experiment; op tim ized design 0 引 言 电子设备的主要失效形式是热失效。随着温度的 增加 ,其失效率呈指数增长趋势 [ 1 ]。据研究 ,电子设 备的失效有 55%是温度超过规定的值引起的 [ 2 ]。因 此 ,对电子设备而言 ,即使是降低 1℃也将使设备的失 效率降低一个可观的量值 ,这对可靠性高的电子系统 尤为重要 [ 3 ]。 1 密封式电子设备热控制方法 电子设备的热控制 ,首先从确定元器件或设备的 冷却方法开始。冷却方法的选择直接影响元器件或设 备的组装设计、可靠性、重量和成本等。对于密封式电 子设备的热控制可采用下面几种方法 : (1)自然冷却方法。通过导热、自然对流和辐射 换热的单独作用或两种以上换热形式的组合进行冷 却 ; (2)直接液体冷却方法。使电子元件浸没在不影 响系统电气运行的液体中 ,通过传导和对流将热量直 接传给液体 ,适用于体积功率密度较高的电子元器件 或部件 ,也适用于那些必须在高温环境条件下工作、且 元器件与被冷却表面之间的温度梯度又很小的部件 ; (3)蒸发冷却方法。电子元件耗散的热量将液体 沸腾产生蒸汽而放出热量 ,适用于体积功率密度很高 的元器件或部件 ; ( 4)热电制冷方法。由载流子流过半导体节点时 势能的变化而引起的能量传递 ,适用于不需要外界动 力而产生负热阻的制冷技术 ; (5)热管技术。由于采用了相变传热 ,因此是一 种传热效率很高的导热器件 ,热管使用时关键是减小 两端接触界面上的热阻。 由于环境适应性的要求 , 一些产品要求小型化、 重量轻、抗高低温、耐湿热和高强度 ,这就决定了机箱 为全密封机箱 ,且散热设计以导热方式为主。由此考 虑可确定各设计环节 : PCB优化设计、导热板设计和机 箱外壳散热设计 [ 5 ]。文中则讨论机箱外壳散热设计 中的针肋散热器设计和优化。 7 2006年第 22卷第 4期 2006. Vol. 22 No. 4 电 子 机 械 工 程 Electro - M echan ica l Eng ineer ing 3 收稿日期 : 2006 - 01 - 12 © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
电子机械工程 第21卷 定时,减小肋间距,则肋化系数增加,热阻降低,但由于 2电子设备散热器的优化设计 流体的粘滞作用,肋间距过小将引起换热效果变差;肋 21产品描述 高可增加散热面积,但过高会降低刚度。如上所述我 该产品由发射模块中间模块和接收模块三部分们取肋厚,代号为A肋长,代号为B肋高,代号为C。 组成,每个模块由屏蔽板封闭而独立。散热器与机壳因子数及水平值如表2所示。 同为一体,并用高效散热的铝制成。热设计要求为器 表2正交试验的因子数及水平值 件温度最高不超过100℃。 水平 尺寸:164mm×40mmx26mm 肋厚(mm)肋长(mm)肋高(mm) 耗散功率:277W 环境温度:30℃±℃ 水平2 3.5 kg 水平3 164 22计算模型 用商品化热分析软件 FLOTHERM建立整个计算242结果分析 区域的模型,模型包括封闭腔内外的流场(空气),发 建立分析问题的表格并模拟计算各个给定条件下的温 热器件和铝针式散热器,如图1所示。 度场得到该条件下的最高温度并把计算结果填入表3中 表3计算条件和计算结果 试验 列号 厚(mm)肋长(m)肋 n)最高温度(℃ 1017 33344455 228002 83041 10283 图1电子设备仿真模型 23散热器底板厚度对温度的影响 140 9521 底板的设计包括底板厚度和底板长宽尺寸设计 8 87526 在底板材料确定的条件下,底板的厚度会影响其本身 的热阻,从而影响散热器底板的温度分布和均匀性。 本文认为温度为100℃时评为100分。正交分析 表1五种厚度算例的结果 如表4所示 厚度(m)最高温度(℃)高流速 表4正交试验分析表 得分 10223 044555 80029 试验号A 044368 79811 101.7 10185 044172 79618 043964 79443 123 04373 3 77.888 从表1可以看出散热器底板厚度对平均温度的影 响并不显著。当底板厚度为4mm时,散热器平均温度 10283 过高,此时如果仅仅增加散热器底板厚度并不能使器 87.333 件的温度得到明显的降低,相反却增加了重量和成本 因此需要采用其它方式来满足降温要求 24正交试验设计和结果分析 10294 241正交试验设计 26603280262307.47 在针肋式散热器设计中,设计参数为肋厚(针肋 R2273204276798269296 截面为正方形)、肋长和肋高。试验证明,肋片以薄为 R3285.987268161248455 宜,但厚度过小,将给加工增加困难;当散热器尺寸 R199571210159015 201994-2009ChinaAcademicournalElectronicPublishinghOuse.Alirightsreservedhttp:/n.cnki.ner
2 电子设备散热器的优化设计 2. 1 产品描述 该产品由发射模块、中间模块和接收模块三部分 组成 ,每个模块由屏蔽板封闭而独立。散热器与机壳 同为一体 ,并用高效散热的铝制成。热设计要求为器 件温度最高不超过 100 ℃。 尺 寸 : 164 mm ×140 mm ×82. 6 mm 耗散功率 : 27. 7 W 环境温度 : 30 ℃ ±2 ℃ 重 量 : 3. 5 kg 2. 2 计算模型 用商品化热分析软件 FLOTHERM 建立整个计算 区域的模型 ,模型包括封闭腔内外的流场 (空气 ) ,发 热器件和铝针式散热器 ,如图 1所示。 图 1 电子设备仿真模型 2. 3 散热器底板厚度对温度的影响 底板的设计包括底板厚度和底板长宽尺寸设计。 在底板材料确定的条件下 ,底板的厚度会影响其本身 的热阻 ,从而影响散热器底板的温度分布和均匀性。 表 1 五种厚度算例的结果 厚度 (mm) 最高温度 (℃) 最高流速 (m . s) 散热器平均温度 (℃) 4 102. 23 0. 44555 80. 029 5 102. 03 0. 44368 79. 811 6 101. 85 0. 44172 79. 618 7 101. 68 0. 43964 79. 443 8 101. 5 0. 4373 79. 254 从表 1可以看出散热器底板厚度对平均温度的影 响并不显著。当底板厚度为 4mm时 ,散热器平均温度 过高 ,此时如果仅仅增加散热器底板厚度并不能使器 件的温度得到明显的降低 ,相反却增加了重量和成本 , 因此需要采用其它方式来满足降温要求。 2. 4 正交试验设计和结果分析 2. 4. 1 正交试验设计 在针肋式散热器设计中 ,设计参数为肋厚 (针肋 截面为正方形 )、肋长和肋高。试验证明 ,肋片以薄为 宜 ,但厚度过小 ,将给加工增加困难 ;当散热器尺寸一 定时 ,减小肋间距 ,则肋化系数增加 ,热阻降低 ,但由于 流体的粘滞作用 ,肋间距过小将引起换热效果变差 ;肋 高可增加散热面积 ,但过高会降低刚度。如上所述 ,我 们取肋厚 ,代号为 A;肋长 ,代号为 B;肋高 ,代号为 C。 因子数及水平值如表 2所示。 表 2 正交试验的因子数及水平值 水平 项 目 肋 厚 (mm) 肋 长 (mm) 肋 高 (mm) 水平 1 3 140 8 20 水平 2 4 152 32 水平 3 5 164 2. 4. 2 结果分析 建立分析问题的表格并模拟计算各个给定条件下的温 度场,得到该条件下的最高温度,并把计算结果填入表 3中。 表 3 计算条件和计算结果 试验号 列 号 肋 厚 (mm) 肋 长 (mm) 肋 高 (mm) 最高温度 (℃) 1 3 140 8 101. 7 2 3 152 20 86. 442 3 3 164 32 77. 888 4 4 140 32 83. 041 5 4 152 8 102. 83 6 4 164 20 87. 333 7 5 140 20 95. 521 8 5 152 32 87. 526 9 5 164 8 102. 94 本文认为温度为 100℃时评为 100分。正交分析 如表 4所示。 表 4 正交试验分析表 试验号 列 号 A B C 得分 1 1 1 1 101. 7 2 1 2 2 86. 442 3 1 3 3 77. 888 4 2 1 3 83. 041 5 2 2 1 102. 83 6 2 3 2 87. 333 7 3 1 2 95. 521 8 3 2 3 87. 526 9 3 3 1 102. 94 R1 266. 03 280. 262 307. 47 R2 273. 204 276. 798 269. 296 R3 285. 987 268. 161 248. 455 R 19. 957 12. 101 59. 015 8 电 子 机 械 工 程 第 22卷 © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
崔万新,等散热器优化设计 分析结果表明三个因子影响最终结果的主次顺序尺寸为:肋厚为3mm,肋长为164mm,肋高为32mm,最 为:肋高影响最大,肋厚次之,肋长影响最小。由于希高温度为7788 望温度越小越好,所以本试验最佳的匹配结果为 C3A1B3,即肋高32mm,肋厚3mm,肋长164mm。 参考文献 243利用正交分析结果进行温度场分析 [1]顾子天.计算机可靠性理论与实践IM]成都:电子科技 由分析结果知道肋厚为3mm、肋长为164mm、肋 大学出版社,1994 高为32mm。利用 FLO THERM软件分析可得到它的2]国防科工委军用标准化中心全国军事装备可靠性标准化 温度场,其Z截面温度等高线云图和速度流场图如图 技术委员会电子设备可靠性热设计手册实施指南[S] 2所示,散热器温度云图如图3所示。 [3]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,200030(5):34 [4]邱成悌,赵悌殳,蒋全兴.电子设备结构设计原理[M 南京:东南大学出版社,2001 [5]白秀茹.典型的密封式电子设备结构热设计研究[J 电子机械工程,2002,18(4):36·37 [6 Andrei G, Fedorov, ViskantaR Three 2 dimensonal conju- gate heat transfer in them cochannel heat sink for electronic packaging[J. htematonal Joumal of Heat and Mass 图2Z截面温度和速度云图 Transter.2000.43:399-415 [7 Weiss J, Langhorst F. The mal analysis of electonic packa- ing[ J]. Australian Electronics Engineering, 1988: 21 [8]徐勇军,鲁世强,胡春文,差温加热的三维温度场有限元 分析[J南昌航空工业学院学报,2004,18(1):39-42 作者简介:崔万新(1976-),男,西安电子科技大学 机电工程学院硕士研究生研究方向为电子设备热设计。 韩宁(1971-),男,西安电子科技大学机电工 程学院教师,工学博士,副教授,主要研究方向为电子 设备热设计及数值传热技术 图3散热器温度云图 3结论 (1)利用 FLO THERM软件可以为电子设备快速 建模,利用有限容积法进行流体计算,并可以得到温度 场、速度场和压力场的分布云图给电子设备的设计工 程师提供参考,大大缩短设计时间。 (2)散热器的设计和优化对温升控制有比较好的 改善,提高了电子设备的可靠性 (3)正交试验的分析结果表明在肋厚、肋长和肋 高这三个因子当中,影响温度效果的主次顺序为:肋高 影响最大,肋厚次之,肋长影响最小,为以后电子设备 的散热器设计提供了依据。 (4)在满足上述条件下的电子设备中,散热器的最佳 c1994-2009ChinaAcademicournalElectronicpUblishingHousealLrightsreservedhttp://nnr.cnki,ner
分析结果表明三个因子影响最终结果的主次顺序 为 :肋高影响最大 ,肋厚次之 ,肋长影响最小。由于希 望温度越小越好 ,所以本试验最佳的匹配结果为 : C3A1B3 ,即肋高 32 mm,肋厚 3 mm,肋长 164 mm。 2. 4. 3 利用正交分析结果进行温度场分析 由分析结果知道肋厚为 3 mm、肋长为 164 mm、肋 高为 32 mm。利用 FLOTHERM 软件分析可得到它的 温度场 ,其 Z截面温度等高线云图和速度流场图如图 2所示 ,散热器温度云图如图 3所示。 图 2 Z截面温度和速度云图 图 3 散热器温度云图 3 结 论 (1)利用 FLOTHERM 软件可以为电子设备快速 建模 ,利用有限容积法进行流体计算 ,并可以得到温度 场、速度场和压力场的分布云图 ,给电子设备的设计工 程师提供参考 ,大大缩短设计时间。 (2)散热器的设计和优化对温升控制有比较好的 改善 ,提高了电子设备的可靠性。 (3)正交试验的分析结果表明在肋厚、肋长和肋 高这三个因子当中 ,影响温度效果的主次顺序为 :肋高 影响最大 ,肋厚次之 ,肋长影响最小 ,为以后电子设备 的散热器设计提供了依据。 (4)在满足上述条件下的电子设备中 ,散热器的最佳 尺寸为:肋厚为 3 mm,肋长为 164 mm,肋高为 32 mm,最 高温度为 77. 888 ℃。 参考文献 : [ 1 ] 顾子天. 计算机可靠性理论与实践 [M ]. 成都 :电子科技 大学出版社 , 1994 [ 2 ] 国防科工委军用标准化中心全国军事装备可靠性标准化 技术委员会. 电子设备可靠性热设计手册实施指南 [ S]. 1992 [ 3 ] 于慈远 ,于湘珍 ,杨为民. 电子设备热分析 2热设计 2热测 试技术初步研究 [J ]. 微电子学 , 2000, 30 (5) : 334 - 337 [ 4 ] 邱成悌 ,赵悌殳 ,蒋全兴. 电子设备结构设计原理 [M ]. 南京 :东南大学出版社 , 2001 [ 5 ] 白秀茹. 典型的密封式电子设备结构热设计研究 [ J ]. 电子机械工程 , 2002, 18 (4) : 36 - 37 [ 6 ] Andrei G, Fedorov, V iskanta R. Three 2 dimensional conju2 gate heat transfer in them icrochannel heat sink for electronic packaging [ J ]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2000, 43: 399 - 415 [ 7 ] W eissJ , Langhorst F. Thermal analysis of electronic packa2 ging [ J ] . Australian Electronics Engineering, 1988; 21 (8) : 62 - 641 [ 8 ] 徐勇军 ,鲁世强 ,胡春文. 差温加热的三维温度场有限元 分析 [J ]. 南昌航空工业学院学报 , 2004, 18 (1) : 39 - 42 作者简介 :崔万新 (1976 - ) ,男 ,西安电子科技大学 机电工程学院硕士研究生 ,研究方向为电子设备热设计。 韩 宁 ( 1971 - ) ,男 ,西安电子科技大学机电工 程学院教师 ,工学博士 ,副教授 ,主要研究方向为电子 设备热设计及数值传热技术。 第 4期 崔万新 ,等 :散热器优化设计 9 © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net