自然散热电子产品的外壳热设计

杜善亮　王湖皎

摘要：以有线电视网络传输数据监控模块为例，通过对其外壳的散热理论分析和仿真计算，研究和探讨了自然散热产品的外壳设计方法。

关键词：自然散热；外壳设计；压铸；铝合金；锌合金

随着三网融合的推进，在广电传媒领域，数字化的新媒体带来了一场深刻的革命[1]。有线电视网络双向化数字化改造是广电业占领新的信息产业版图的重要实施举措。有线带宽的提高、高清视频、IP数据业务、语音业务、数据点播等的开展，对有线电视传输设备提出了更高的要求，热问题在产品的研发过程中越来越突出，特别是传输干路和支路上的野外型和室外型设备的设计研发。这类设备以自然散热为主要散热途径，使用环境复杂多变，所在的网络平台历史较长，各地运营商对设备的要求和标准也参差不齐，产品结构方面可变的设计条件也有限，所有这些限制因素都增加了结构设计的难度，提出了更高的要求。本文以有线电视网络传输数据监控模块（简称DOCSIS 模块）的设计为例，探讨了以自然散热为主的设备的外壳热设计要素和方法。

1.挑战和机遇

DOCSIS模块是配合DOCSIS网络而产生的新模块，是代替现有HMS应答器的产品。该模块普遍应用于CATV传输网络的光站和放大器设备中，这些设备基本都是野外型或是室外型。由于HMS模块已经应用在诸多的光站和放大器平台中，因此，DOCSIS模块的外形尺寸和连接器位置都不能改变。但由于DOCSIS模块功能的极大提升、新的集成芯片的使用，模块的功耗有成倍的增长。在有限的空间范围内，模块热设计遇到了极大的挑战。

近十年，传统的锌、镁、铝合金的加工技术有较快的发展，导热材料的热导率有很大的提升，有限元热设计分析工具更是被广泛应用，这给外壳热设计提供了强有力的技术支持。

2.热设计理论分析

为了达到理想的散热效率，将主要发热芯片与产品外壳通过导热材料相连，从而有效降低从芯片结到外部空气的传热热阻。将产品的导热简化成下图，在此仅讨论稳态场产品的散热：

其中t_j为芯片的结温，t_c为芯片的表面温度，γ是导热材料的厚度，t_TIM是导热材料的温度，δ是外壳设计厚度，t_h是外壳的温度，t_a是模块工作的外部环境温度，h是机壳表面自然对流换热系数。

稳态场指产品达到热平衡时，各部件的温度几乎不变的热场分布。稳态场性能反应了电子产品正常工作情况下的热学性能。

t_a为恒定外界温度，自然散热条件下表面换热系数h为小于10的某一数值。由（2.4）式，芯片的选型，外壳材料的特性、厚度和表面积的设计，导热介质的材料选型、厚度和接触面设计都决定了t_j的值。因此，选用耐温高、内部热阻低的芯片，选用热导率高的金属做外壳，增大外壳有效散热面积，选用热导率高、厚度薄的导热材料做介质，设计合理的接触面，能有效避免产品过热问题。

辐射换热效率与自然散热产品效率相当[6]，可以增加表面处理（如喷漆、氧化）来强化辐射效果，增强自然散热能力。

3.DOCSIS模块结构设计比较

模块的外形尺寸限制为 长×宽×高=78mm ×38mm ×12mm，FPGA芯片大小为长×宽=23mm ×23mm 。

下表为模块结构设计选项：

设计选项1和设计选项2比较了不同合金材料的选择对产品热性能的影响；设计选项2和设计选项3比较了发热芯片接触面积和导热介质对产品热性能的影响；设计选项3和设计选项4比较散热面积和表面辐射效果对产品热性能的影响。

下图为设计选项1和设计选项4的设计效果图：

4.仿真结果比较

使用Flotherm软件进行仿真比较。设置外部环境温度为85°C，模块总功耗为1.7w，FPGA芯片功耗为0.8w。按下表设置铝合金和锌合金材料的基本参数。

下表是各条件的仿真结果。

其中，t_j和t_h与章节2中对应的芯片结温和壳体外表温度意义一致。

比较设计选项1和设计选项2的结果，选用铝合金比选用锌合金，FPGA结温下降0.23°C，壳体温度下降0.25°C。结果显示，Zmark3和A413散热能力相当。因为锌合金比铝合金具有更好的铸造性能，能铸造出更薄的壳体，在PCB布板空间紧张、对模块重量不敏感的情况下，选用锌合金比铝合金更有优势。

比较设计选项2和设计选项3的结果，增大导热介质和FPGA芯片的接触面接、选用导热率更高、更薄的导热材料，使得FPGA结温下降了0.69°C，壳体温度下降了2.57°C。结果表明，导热介质的优化可以带来一定程度的温度降低。但是热导率为5w/m.k的导热介质成本是2.5w/m.k的一倍以上，且越薄的导热介质对产品的加工精度要求更高。因此，在成本和公差允许的情况下，选用更大、更薄、导热率更高的材料能有效降低芯片结温。

比较设计选项3和设计选项4的结果，增大表面积和辐射率，使得FPGA结温下降了3.08°C，壳体温度下降了2.01°C。结果表明，增大表面积和表面辐射率是自然散热条件下最为有效的降低温度的方法。而表面涂鍍是增加表面辐射率的有效途径，它既增加了产品美观性，又增强了表面耐腐蚀性，缺点是增加了成本。因此，在产品尺寸大小不敏感，成本压力小，表面要求高的情况下，加强表面处理是解决散热问题的有效途径。

综上所述，导热率相当的铝合金和锌合金合金材料对模块温度的影响不大；增大芯片与导热介质的接触面积，增大导热材料的热导率、降低其厚度可以有效降低温度；增加表面散热面积，加强表面处理是最有效的提高散热效率的方法。

5.结论

自然散热的电子产品外壳设计中，选用耐温高、内部热阻低的芯片，选用热导率高的金属做外壳，增大外壳有效散热面积，增强表面辐射强度，选用热导率高、厚度薄的导热材料做介质，设计合理的接触面，能有效避免产品过热问题。

参考文献：

[1]韦乐平.《三网融合的思考》[J].《电信科学》，2010年03期：1-6.

[2]章亦农，杨俊.《基于三网融合的HFC网络现状与前景分析》[A].《2007国际有线电视技术研讨会论文集》，中国浙江杭州：中国广播电视协会，浙江省广播电视局，2007年.

[3]张凤莉.《基于DOCSIS3.0的HFC双向网络设计》[D].南京：南京理工大学，2012年.

[4]包雪松.《铝合金压铸散热模块结构设计研究》[D].上海：上海交通大学，2011年

[5]李远近.《优质锌合金压铸》[J].《机床与液压》，2002年03期：190-191.

[6]杨世铭，陶文铨.《传热学》[M].北京，高等教育出版社，1998年.