ESC的微波芯片散热仿真

1、基于I-DEAS ESC的微波芯片散热仿真张红兵作者简介：张红兵（1968-），男，江苏如皋人，工学硕士，副教授，系副主任，研究方向：CAD/CAE/CAM 摘 要：本文针对某微波通讯芯片的散热分析，详细介绍了运用I-DEAS ESC系统进行热分析的有限元建模方法与数值仿真过程，并与试验结果进行了对比。结果表明，所用方法正确，计算结果精确可靠。关键词：电子系统冷却；数值仿真；I-DEAS 微波芯片1引言在电子设备的常见故障中，由于电子设备的温度过高而导致设备不能正常工作的比例高达5060，因此，电子设备的热问题一直是工程技术人员研究解决的难题1。在计算机软、硬件高速发展的今天，利用合适的软件对

2、电子设备进行热设计数值仿真计算无疑是一种有效的方法。以往的热分析方法为有限差分法或有限元法。有限差分法对网格形状要求较高，更适合外形规则的情况，通常计算量较小；有限元法网格类型多样，适合于各种复杂的情况，计算量较大。I-DEAS软件的ESC系统，是电子热设计的关键模块，其将有限元法与有限差分法有机地结合起来，使电子热分析更灵活有效。2 ESC热分析理论1 ESC热分析采用的是集总热容有限差分法。这种方法基于局部和总体能量平衡的原则将目标划分为多个控制区域，对每一控制区域用集总参数法建立平衡方程，对一控制区域的热平衡方程如下：（1）式中：b 控制体边界； v 控制体体积；qn 流过控制边界的热流

3、； q0 控制体内的热生成流；密度；c比热 ；T温度； t时间。（1）式又可表示为：（2）式中：Qb:流进控制体积的热量；Q0控制体内的生成热；U控制体内的能量存储。对于密度与比热为常数的材料：（3）（4）相邻控制容积处的热交换为Qij = Gij × f (Ti, Tj)式中：Gij 为相邻控制容积处的热交换系数； Ti ，Tj 分别为I,j区域差分点的温度。则相邻区域热交换体现在传热系数G上。因此，边界条件的建立就是确定各相邻区域的传热系数G。对某一控制容积I 热平衡方程可表示为（5）对稳态热分析则（6）在I-DEAS ESC中把每一几何单元作为控制体积，则创建的有限元网格可直接

4、作为有限差分分析模型，这样避免了对复杂结构难以划分有限差分网格的麻烦。我们可以用有限元法灵活的建立模型，再用有限差分法进行计算，这也是I-DEAS软件热分析最突出的优点3。3 微波芯片散热计算的有限元模型某微波发生器工作时环境温度高达50摄氏度。芯片所耗散的全部电能中（每只62.5W），只有一小部转换为有用的能量，而绝大部分都变成热能，使仪器的内部和周围发热。电子元件能够正常工作的温度范围为芯片结温175。采用强迫冷却，风扇通风量为每只0.035m3/s，共三只，芯片布置及风扇位置如图1示。散热器芯片进风口图1 微波机箱结构风扇机箱外壳图2 芯片位置温度分布3.1有限元网格建模时分别建立散热器

5、与箱体模型，最后将二者装配起来，其中散热器材料为紫铜，箱体材料为空气。网格划分均采用四面体四节点单元，划分单元时根据结构特点首先将模型分区，然后对不同的区域采用不同的单元长度进行网格划分。由于芯片与机箱相比尺寸很小，为避免网格尺寸相差悬殊而引起的畸变与误差，散热器采用与实际尺寸吻合的实体建模，用solid单元。芯片用附着在散热器对应位置上的表面代替，采用shell单元。散热器单元与芯片单元之间采用传导热耦合2。最终有限元模型包含18642个单元，4579个节点。3.2边界条件边界条件的合理简化与加载决定了热分析的可靠性与精确性，据机箱实际散热状况，对模型边界条件作了如下分类处理。（1）芯片芯片

6、是微波发生器发热的热源。该热源以集中热载荷方式加载在散热器对应位置上的表面上，数值为芯片的总功率。（2）机箱内部空气与散热器表面采用分区处理的方法对空气区域采用较大尺寸划分为solid单元，用ESC中的Blockeg将空气与散热器之间处理为内部热传导。（3）风扇与进风口风扇无须建立实体模型，只要在机箱表面相应位置用SPLIT SURFACE命令建立与风扇直径大小相等的进风区域即可，并划分为shell单元。在该区域上加载风扇参数。风扇参数预先用fan-curve定义，包括进风方式、鼓风或抽风（本算例为抽风方式）、进风量、风扇功率等。（4）进、出风口设置在强迫冷却中风扇进、出风口的布置应避免出现空

7、气短路，在位置尺寸允许的情况下应使空气在机箱内形成最大程度的扰流以增加散热效果。出风口的设置用VENT命令进行，通过计算可确定出风口的大小及最佳位置。（5）机箱与环境机箱与环境空气之间的传热为自然对流方式，本算例通过指定环境温度及重力加速度方向确定。计算时按最恶劣热状况进行分析，假设芯片发出的所有功率全部变为热能，所处环境的温度为最高即50。4 计算结果与分析I-DEAS ESC可根据需要显示不同部位的计算结果，本例中芯片位置处的温度较高，其温度分布是我们最关心的。在环境温度50时，图2为芯片位置温度场计算云图，图3为机箱内空气流动矢量图。根据计算结果，中间芯片热状况较为恶劣，最高温度也位于该

8、芯片上，其值为167.6，由于采用紫铜散热器，各个芯片之间温差较小，最大温差仅0.6，是比较理想的状况，芯片上各点温度均<175,芯片可以正常工作。对本算例进行了实验测试，设置了10个测温点。提取计算模型中与测点位置对应的计算点，二者的结果对比如表1。 从表1可以看出，计算值与实测值非常吻合，计算最大误差1.7%，最小误差-0.26%，大部分为正误差，即实测温度低于计算温度。此计算精度满足工程需要。表1 计算结果与实测值对比测点计算模型节点号计算值（）实测值（）误差T%120487166.71651.71.03220483168.9170-1.1-0.65320451168.9170-1

9、.1-0.65426800166.81642.81.7536484170.71682.71.6637191165.71641.71.03737093164.71640.70.43836545154.6155-0.4-0.26936903155.1156-0.9-0.581036850154.51531.50.985 结论(1) I-DEAS ESC是有效并且非常实用的电子系统冷却数值仿真法，该方法可大大减小计算规模且计算精度较高。(2) 本文所用建模方法可广泛用于各类电子设备的热分析中。参考文献：1谢德仁电子设备热设计M东南大学出版社，1989.189-194. 2薛军，孙宝玉.热分析技术在电

10、子设备热设计中的应用J.长春工业大学学报：自然科学版，2007，(2).176-179.3SDRC. I-deas users guide of ESCR.2001. Cooling Simulation of a Micro-wave Chip Based on I-DEAS ESCZHANG Hong-bingAbstract: This paper introduces an effective method of creating simulated model in I-DEAS Electronic System Cooling, and uses this method to simulate cooling of a micro-wave apparatus. The calculated value is compared with the tested value. The re