摘要：机载电子设备越来越精密、集成度越来越高，而使用环境更为恶劣，使得机载电子设备的热设计越来越重要，采用热仿真分析是热设计的主要手段。文中通过对某机载电子模块的4种工况进行仿真对比分析，综合考虑散热效果及可靠性，确定了最优方案，指导了模块的方案设计。该方案已随电气设计和结构设计一起通过了各项验证试验，使用情况良好，为后续机载电子模块的设计积累了经验，具有较大的参考价值。
关键词：机载电子模块；热设计；热仿真
中图分类号：TP391.7文献标志码：A文章编号：1002－2333（2016）01－0119－03
作者简介：董伟（1986—），男，工程师，主要从事机载电子设备结构设计
0引言
随着各类飞机各项性能的提升，对机载电子设备的指标也越来越高，例如机载电子设备的体积越来越小，重量越来越轻，功耗却越来越高，机载电子设备的环境越来越恶劣，其内部的元器件能够正常可靠地工作，是机载电子设备在设计之初着重考虑的内容。随着设计仿真技术的不断创新，在热设计方面，技术也日趋成熟，通过合理地运用热分析工具，对产品设计进行多轮迭代改进完善，充分论证产品的各项性能，使得产品的设计符合需求，以期达到后续生产制造和使用方面风险最小，减少资源浪费，降低成本，提高产品的可靠性，延长使用寿命［1］。本文采用热仿真分析，从散热效果方面对某机载电子模块的两种设计方案进行评估，根据两种方案的几种工况，进行对比分析，确定最优的结构设计方案。
1热仿真分析背景
1.1方案介绍
根据电气功能设计要求，某机载电子模块安装于某机箱内，机箱采用自然散热，模块拟采用子卡实现其一部分功能，但是由于空间有限，该子卡可以采用一个单独元器件进行替代，所以该模块有两种方案：方案一是采用基板和子卡结构，即基板和子卡分别安装在散热板两侧。其中基板功耗为20W，主要由4个5W的元器件组成。而子卡功耗为5W，其中子卡上有3个主要元器件，分别是1.5W、1.5W和2W；方案二是采用基板结构，子卡的功能集中到一个单元器件上，基本功耗为25W，主要由5个5W的元器件组成。两种方案中，元器件都是通过散热板进行散热，散热板再与机箱通过传导散热，将热量导出。各元器件的最高允许工作温度为105℃。
1.2两种方案的对比说明
方案一的基板模块大小为174mm×170mm，子卡大小为74mm×74mm。子卡采用独立印制板形式，与基板分别安装于散热板两面。其中子卡上的元器件通过导热垫与散热板紧贴安装，基板的元器件从另外一面通过导热垫与散热板紧贴安装，这样所有元器件的热量将首先传导至散热板，散热板再将热量传导至机箱，机箱作为热沉，为模块提供冷却路径。此种方案有以下优缺点：子卡元器件通过散热板、子卡印制板传导热量，子卡有独立的印制板辅助散热；基板元器件通过散热板、基板印制板传导热量；散热途径相对独立，互相影响小；可以根据基板的功耗布局，调整子卡的位置。如图2所示。方案二是采用独立元器件形式，基板上的元器件通过导热垫与散热板紧贴安装，另一面则设计有散热翅，加速热量传导至机箱。方案二将方案一中装子卡的位置设计为散热翅，可以增大导热路径。此种方案有以下优缺点：所有元器件通过基板印制板和散热板传导；散热板传导面积大；热量较为集中，各元器件导热会受到周围元器件影响；单个元器件热流密度大［3］。
1.3两种方案的四种工况
在上述两种方案中，子卡的安装方式和散热板的厚度将影响到元器件散热，为了更详细地论证这两种方案的优劣，分别设计有以下4种工况［4］，具体细节如下：
1）工况一：a.采用方案一；b.基板与子卡分别安装于散热板两面；c.子卡位于中部；d.散热板壁厚7mm；e.子卡镶嵌于散热板中。仿真模型如图5所示。
2）工况二：a.采用方案二；b.基板安装于散热板一侧；c.替代子卡的元器件位于中部；d.散热板壁厚7mm。3）工况三：a.采用方案一；b.基板与子卡分别安装于散热板两面；c.散热板壁厚2mm；d.子卡安装在散热板之上。4）工况四：a.采用方案二；b.基板安装于散热板一侧；c.散热板壁厚2mm。仿真模型如图8所示。
2仿真计算
针对以上4种工况，分别进行热仿真分析，设置环境温度为70℃，设置机箱温度为90℃，机箱为模块提供热沉，计算各模块的最高温度，各工况具体仿真结果如图4所示［5］。经计算，工况一中元器件最高温度为99.7℃，工况二中元器件最高温度为101℃，工况三中元器件最高温度为104℃，工况四中元器件最高温度为106℃。3仿真结果分析通过以上仿真计算可以看出：工况一中因为子卡上的元器件与基板上的元器件分别位于散热板两侧，避免了热量过于集中；子卡上的元器件还可以通过子卡的边缘传导部分热量，为元器件热量提供了更多的导热路径；厚度为7mm的散热板为模块的导热提供了更好的途径，进而加速了模块的导热。所以综合以上结果，最终确定方案一的工况一为最优方案。4结语通过对两种设计方案的若干工况进行热仿真分析对比，综合考虑散热效果、安装方式和可靠性，并以此为依据选择了最优方案，并开展后续的设计工作，该模块采用此种方案已完成了相应的机械结构设计和电气设计，并进行了环境试验，其中温度试验可以满足要求，产品顺利交付用户，使用情况良好，为项目的顺利开展提供了保障。另外，本文中提出的几种工况，对同类型的机载电子模块具有较大的参考价值，可以进一步指导设计人员开展热设计工作。
［参考文献］
［1］曲行柱.Flotherm软件在电子元器件系统热设计中的应用［J］.电子元件与材料，2014，33（10）：101-102.
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［3］邱成悌，赵惇殳，蒋全兴．电子设备结构设计原理［M］．南京：东南大学出版社，2005：56－58
［4］张雪粉，陈旭.功率电子散热技术职称论文发表［J］.电子与封装，2007，21（7）：35－39.
［5］徐晓婷，朱敏波，杨艳妮.电子设备热仿真分析及软件应用［J］.电子工艺技术，2006，27（5）：265-268.
作者：董伟 刘世卿 单位：中航工业西安航空计算技术研究所
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