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MSC.PATRAN/NASTRAN在某电子设备热设计中的应用

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摘要：本文利用软件MSC.PATRAN 建立了某电子设备的热分析模型，讨论了温度场有限元热模型建立的关键技术。在软件MSC.NASTRAN 的Thermal 模块中完成了稳态热分析，分析结果表明设备内元器件的工作温度均满足要求，热设计合理可行。另外，本文通过完成设备样机的热平衡试验对有限元热分析结果的准确性进行了验证，经对比发现热分析与试验结果基本吻合。
关键词：有限元热分析电子设备热设计

1. 引言

电子设备工作时，输出功率往往只占设备输入功率的一部分，其功率损失一般都以热能形式散发出去，随着电子元器件及电子设备功率密度的不断增加，温度已经成为影响其可靠性的主要因素之一。由阿伦尼斯模型可以得出电子元器件功能退化的加速系数与温度之间的关系：

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式中 τ—电子元器件功能退化的加速系数；
t1 —温度1 T 下的元器件功能退化时间， h ；
t2 —温度2 T 下的元器件功能退化时间， h ；
Ea —电子元器件的激活能，eV ；
Kb —波尔兹曼常数，eV/ K ；
T1 —元器件结温， K ；
T2 —元器件结温， K 。

从公式(1.1)可看出，元器件的功能退化加速系数与其结温成指数关系，可靠性能随结温的升高而降低[1,2]。因此，由元器件发热带来的电子设备可靠性问题必须引起设计师的重视，在设计过程中需要充分考虑印制板的热设计和热分析问题。

电子设备的工作环境非常恶劣，环境温度变化比较大，而设备内的元器件对温度却具有较高的敏感度。所以，在设备的设计过程中需要充分考虑设备内元器件的温度使用要求。为了保证设备运转的可靠性，必须对其进行合理的热设计。

为了尽早发现电子设备热设计方案中的问题、缩短设计周期，可以在热设计过程引入有限元热分析技术，以便在样机生产之前确定设计方案。

本文在某型号电子设备的热设计过程中，使用软件MSC.PATRAN/NASTRAN 先后多次对方案进行仿真分析，逐步发现设计中的不足之处，并提出相关改进措施。新的热设计方案实施后，设备内部各个元器件的工作温度满足要求。

2. 热设计

2.1 设备的工作环境温度

设备的工作环境温度为0～40℃，要求能够保证环境温度为40℃时，设备内各元器件的工作温度满足温度降额要求(元器件的结温不能高于85℃)。

2.2 机箱热设计

为了利于散热，该电子设备的机箱在热设计过程中作了如下考虑：

a. 机箱的设计尽可能利于元器件散热，减重措施不能切断散热路径或使元器件散热热阻变大；
b. 为保证印制板插件与机壳之间有良好的热连接，在两者的接触面之间填充一层导热填料；
c. 机箱有足够大的安装接触面积，安装面粗糙度和平面度符合相关规范要求；
d. 机箱采用导热性能良好的铝材，表面(安装面除外)黑色阳极氧化处理，辐射率不小于0.85。

设备采用插件式结构形式，结构图参见图1。

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图1 设备结构模型

2.3 印制板的热设计与导热系数的计算

2.3.1 印制板的热设计

机箱内只有一块印制板。在设计过程中，为了增强散热功能，采取了以下措施：

a. 设备内印制板材料为FR4，但FR4 的导热系数较低，不能很好的传导热量。在相应的印制板上增设覆铜层。元器件可以直接将大部分热量传导至印制板的覆铜层，并通过铜箔进行散热。

b. 为了保证印制板边框与机壳能够紧密接触，印制板边框两侧安装了楔形锁紧机构，印制板边框与机壳接触面之间涂有导热硅脂。

c. 为了增强印制板边框与面板之间的传热能力，通过螺钉将两者紧密连接。

2.3.2 印制板等效导热系数的计算[3]

为了简化印制板覆铜箔后的多层结构，将印制板等效为各向异性材料，其中沿印制板平面方向的导热系数为x k ，厚度方向的导热系数为ky。

沿印制板平面方向的等效导热系数为：

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式中 kCu —铜的导热系数386W/(m*K)；
VCu —印制板中的体积含铜量；
kFR4 —FR4 的导热系数0.3W/(m*K)。

在印制板厚度方向铜箔所占比例很小，大部分材料为FR4，该方向的导热系数可简化为：

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印制板沿板平面方向的导热系数参见表1。

表1 沿印制板平面方向的导热系数
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2.4 元器件的散热设计

航天器电子产品机箱内的元器件通过两种途径进行散热：

a. 元器件与印制板焊接，热量通过焊接点传递到印制板；
b. 元器件自身的辐射散热。

印制板上主要发热元器件安装方式分为：元器件顶面覆盖铝制散热片，散热片与元器件顶面之间放置导热垫；铝制散热片通过螺钉与印制板边框连接，接触面之间涂导热硅脂。

元器件在印制板上的布局参见图2，设备内主要发热元器件的热分析参数参见表2。

表2 印制板上主要发热元器件参数
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图2 印制板上大热耗元器件布局

3. 热分析

热模型是热分析的基础和核心所在，模型的好坏很大程度上决定了分析结果的准确性。因此建模问题是热分析的关键问题4。

有限元法求解是对真实情况的数值近似。通过对分析对象划分网格，求解有限个数值近似模拟真实环境的多个未知量2。

节点网格的划分是有限元数值分析的基石，但节点数量越多并不代表热分析越精确。从热模型上看，节点越能体现模型性质分析结果才越准确。数值分析的出发点是节点网络和热分析离散方程，故有限元建模的基本要求是：

a. 有限元建模必须适合热分析的特点；
b. 有限元建模必须利于附加热边界条件；
c. 有限元建模和节点网格的划分必须和模型各处的热物理性质相吻合，如：板是否绝热、板是否为仪器的安装面或散热面等；
d. 具有热传导特性的几何体交界面节点必须统一；

以上仅从几个方面讲述了有限元建模的一些注意事项。最关键的还是从热物理模型的要求出发，具体问题具体分析，明确每个节点的热物理意义，才能建好热分析的有限元模型4。

本文在软件MSC.PATRAN 中完成产品热分析模型的建立。在建模的过程中，首先创建各组成部分的有限元模型，然后将这些独立的有限元模型组装成整机模型。整机模型建成后，再逐一定义边界条件、辐射条件和热耦合条件，最终完成热模型的设定。

3.1 几何简化与单元划分

单元类型根据结构形状、受热情况及分析软件确定，主要应用的单元类型包括板壳元、体单元等。该设备几何结构非常复杂，为了便于有限元分析，在建模的过程中对其进行了适当的简化。有限元热模型参见图3。

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图3 整机热模型

在选择单元时，主要作了如下考虑：

a. 机箱和印制板都属于薄板结构，均采用4 节点板单元(Quad4)进行模拟；
b. 印制板边框、元器件的铝制散热片可以简化为薄板结构，用4 节点板单元(Quad4)进行模拟；
c. 印制板上主要发热元器件均采用8 节点体单元(Hex8)模拟；
d. 小热耗元器件不单独建模。

3.2 定义材料属性

设备主要组件材料的热性能参数参见表3。

表3 材料热性能参数
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3.3 边界条件和约束载荷

a. 设备机箱安装板视为温度为40℃的热沉面，机箱的其余表面作为绝热边界处理。

b. 在各主要发热元器件的顶面加载相应的热流密度(热流密度＝热耗/元器件顶面面积)。

c. 印制板上小热耗元器件处理为均布热源。

d. 考虑元器件、机箱和印制板之间的辐射传热。忽略元器件管脚的辐射散热。

e. 印制板框两侧与机箱壳体之间的接触传热系数根据经验确定为1500W/(m2²℃)。印制板边框与机箱面板间的接触传热系数取150W/(m2²℃)。

f. 铝制散热片与印制板边框之间、铝制散热片(或印制板框)与元器件接触面之间、导热条与各个印制板之间的接触传热系数均取1500W/(m2²℃)。

3.4 热分析

本文应用软件MSC.NASTRAN 中Thermal 模块对该设备的热模型进行了稳态热分析，对连续工作元器件是否满足温度降额要求进行了验证。

通过热分析，可以计算出元器件的壳温(元器件热沉面的温度)，元器件的结温则可用以下公式计算：

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式中 Tj —元器件的结温，℃；
Tc —元器件的壳温，℃；
Q —元器件热耗，W；
Rj-c —元器件的结壳热阻，℃/W。

热分析最高壳温和计算结温参见表4，主要发热元器件温度场云图参见图4。

表4 稳态热分析结果
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图4 印制板上的元器件温度分布

4. 热分析结果验证

为验证该设备热模型的合理性，在40℃环境温度中完成了设备工程样机的热平衡试验，测得了元器件连续工作时的壳温。试验结果参见表5。

表5 试验数据
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通过将有限元热分析数据与热平衡试验数据进行对比可以发现，稳态热分析结果与试验数据基本吻合，稳态热分析结果略高于热平衡试验结果。稳态热分析结果比较保守，符合仿真分析要求。

5. 结束语

通过对该设备进行稳态热分析和热平衡试验，本文可以得出如下的结论：

a. 设备中大热耗元器件的稳态工作结温低于降额温度，热设计满足温度降额要求、合理可行。
b. 机箱、印制板和元器件的热分析模型基本符合实际结构，可以仿真设备的传热情况。

参考文献
1 姜仁元,张兴唐,杨亦春.温度应力下功能退化型加速寿命试验问题研究.南京理工大学学报,2000,24(6):523~527
2 杨桂杰,杨银堂,李跃进.多芯片组件热分析技术研究.微电子学与计算机,2003,7:78~80
3 吉仕福.PCB 散热技术分析.上海交通大学:硕士论文,2006
4 江海.热分析集成技术研究.第五届空间热物理会议,2000,151~157
5 国防科学技术工业委员会.GJB/Z27—92 电子设备可靠性热设计手册.北京：国防科工委军标出版社发行部,1992

作者简介
范红梅（1978－），女，山东航天电子技术研究所，工程师，硕士，主要研究方向：CAD /CAE/CAM(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (5/22/2011)


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