第一章 绪论
1.1 课题的意义及国内外研究现状综述
1.1.1 课题的来源
本课题来源于中国电子科技集团公司第五十研究所工作需要。在中国电子科技集团公司第五十研究所从事项目研发期间，发现随着电子技术的飞速发展，大功率、高功率密度器件被广泛研制和应用，而如何对这些高功率器件进行合理、有效的散热，以提高其可靠性，却是一个难题。而舰载、机载、车载等电子系统通常工作在温度非常高的热环境中，统计数据表明，70%的电子设备失效与过高的热环境有关，随着温度的增加，其失效率成指数增长趋势[1],而著名的10℃法则[2]也指出：半导体器件的温度每升高10℃,其可靠性就会降低50%。所以，对电子设备进行热设计和热分析，早已引起了国内外研究部门的重视。与此同时，现代武器系统电子设备，越来越向高集成、高功率、高可靠性、及小型化轻量化的方向发展。同时功耗的不断加大，使得热流密度急剧上升，如果在设计阶段不注重电子设备的散热设计，那么元器件所产生的热流将得不到有效控制，特别是在工作环境比较恶劣或电子设备比较复杂的情况下某些元件的工作温度就有可能上升到导致整个电子系统的工作不稳定乃至失效。本论文正是基于本公司目前的设计现状，通过对某密封式电子设备在严酷环境条件下使用时的设计计算，阐述了热设计的一些设计思路和具体散热结构，并通过对某电子设备密闭机箱的设计实例加以说明。
1.1.2 课题研究的意义
在2000年，国外的Uptime研究所曾预言8年内电阻设备中的散热面积将会翻两番[3]。这在当时听起来很让人吃惊，但是实际的情况早已大大地超出这个预期[4]。现在电子产品的散热研究被推到了整个电子产品研发过程的最前沿[5]。解决电子设备过热问题，提高产品可靠性的相关技术称为电子设备热技术。它主要包括：热分析、热设计及热测试三大技术[6]。科学合理地应用这三大技术，可以极大地缩短电子产品的研发周期，提高产品研发设计的经济性，保证电子产品的综合性能。目前,国外在这方面的研究技术较为成熟,取得了许多应用和理论上的成果。而国内由于电子工业的发展落后于国外,因此在电子设备热技术方面的研究也相应滞后,尚处于初期阶段，水平较低，但这几年也逐渐认识到了该研究对航空航天及军事方面的重要性及迫切性。热分析、热设计及热测试技术是提高电子产品可靠性必不可少的方法, 对电子设备应该从元件、电路板及环境三个层次进行热分析、热设计及热测试。随着传热学、热能工程、流体力学、计算机等学科进一步的发展以及新仪表、新材料的出现,电子设备的热分析、热设计及热测试技术必定会取得更大的成果。目前, 国内外还没有热分析、热设计及热测试技术集成为一体的计算机辅助系统。传热是一种复杂的过程, 为了便于分析和研究, 根据热量传递的物理本质的不同, 传热可以分为三种基本形式, 即热传导、热对流和热辐射。热传导又称为导热,是指同一物体内部温度不同的各部分之间, 或者温度不同的直接接触的物体之间,依靠物体内部微观粒子的运动、碰撞而发生热传递的现象, 导热的基本规律为傅立叶定律。对流换热是指流动的流体与其相接触的固体表面之间, 在二者具有不同温度时所发生的热量转移过程, 按流体产生流动的原因不同, 可分为自然对流和强制对流;按流动性质来分, 则有层流和湍流之分。热辐射是指物体发射电磁能, 并被其它物体吸收转变为热的热量交换过程, 当温度高于绝对零度, 物体会不断地将热能变为辐射能,向外热辐射; 同时物体不断地吸收周围物体投射到它上面的热辐射能, 并将其转变为热能。电子设备热分析, 又称为热模拟, 是利用数学的手段在电子设备的概念设计阶段获得温度分布的方法, 它可以使电子设备设计人员和可靠性设计人员在设计阶段就能发现产品的热缺陷, 从而改变其设计。
第二章 热设计基本理论
2.1 传热学的基本概念
该密封式电子设备采用是某武器系统指定的ATR机箱形式，其需要满足的功能较多，包括无线电台组网、有线组网、ATM交换、战术互联网接入、光纤通信等功能，而同时设备结构体积要求严格，机箱外形尺寸严格限制在256mm（宽）×194mm（高）×315mm（深）以内。根据上述情况，没有足够空间将多个功能模块合并设计，只能采用独立功能模块插板的形式设计、安装、操作及使用。该密封式电子设备的整机样图如图2所示。该设备为密封防雨设备，其机壳由铝合金(2A12)焊接而成，壳体和盖板选择在整机的前后部分分型。设备的工作环境为：-40℃～55℃；高温（60℃）储存4小时，正常工作。其次改善设备内部结构。由于密封式电子设备中，对流和辐射都比较困难，传导就成为主要散热手段。要通过合理的布局力求气流阻力最小。设计中让功耗大的发热器件通过导热硅脂直接与单元板安装板连接，各单元板与主机母板直接用插座连接，减少连接电缆，便于气流流通。使散热路径最短、热阻最小，避免热量在箱体内产生循环。各单元各功能电路板之间间距较小，出现层叠安装的情况，不利于更好的内部气流流通。在设计初期考虑到此因素，应要求电路板设计人员，根据对流散热原理，由于热空气总是从低水平面向高水平面流动，故而将各电路板的大发热器件，空间上错位排布，有利于热流流动，从而增加散热效果。避免由于大发热器件在同一水平面，产生热量堆积，提高芯片的失效概率。
第三章 结构设计与分析 .......11
3.1 总体结构设计方案 ........11
3.2 密封式电子设备内部结构和主要组件 ....12
3.3 主要发热部件及热设计原则 ......15
3.4 密封式电子设备的热设计 ........15
3.5 密封式电子设备的设计步骤 ......16
3.6 本章小结 ....17
第四章 热设计仿真软件和仿真平台 .........18
4.1 ANSYS 软件介绍 .....18
4.2 ANSYS 的分析流程 .........18
4.3 ANSYSY 软件设置 ....19
4.4 求解与结果分析 ....22
4.5 密封式电子设备热分析仿真平台的建立 ........22
4.6 本章小结 ....24
第五章 温度场测试及结构设计优化 .........25
5.1 铂电阻测温及其优点 ......25
5.2 密封式电子设备内部温度场的测量 .......28
5.3 本章小结 .....41
结论
本论文采用铂电阻接触式测温法对密封式电子设备内部温度场进行了热测试和运用热分析软件ANSYS对该设备内部温度场进行热分析。通过比较热测试和热分析的结果，不断优化该设备的三维CAD模型，最终得到一个和真实模型相近的简化模型。使用该模型进行有限元计算，得到的选定测试点的温度最大偏差在20%以内。电子设备内部温度场的热测试和热分析为该设备的优化设计提供了有效参考。在研究过程中，本文把电子设备的热测试工作提到研究工作的前端进行，得到准确可靠的测试结果，方便仿真结构与测试结果比较。在随后的研究工作中，根据仿真工作的要求，也可以随时进行有效的补测。在运用ANSYS软件进行有限元计算过程中，遇到网格划分时内存不足的问题，本文选择了从硬件平台直接升级，提高内存容量的办法解决，保证了计算精度，但是增加了计算时间。最终建立的电子设备三维CAD模型，经历了设备24小时工作状态的检验，相信可以用于其它状态下的设备内部温度场仿真，并且可以用于对设备进行设计优化。本论文研究的主要目的是为了提升本公司产品热分析与热设计的能力，提升公司的产品结构设计水平。
参考文献
[1] 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，2002
[2] 付桂翠，高泽溪，方志强，电子设备热分析技术研究[J]，电子机械工程，2004（1），13-16
[3] The Uptime Institute，Heat density trends in data processing,computer systemsand telecommunications equipment[R]，New York:The Uptime Institute White Paper，2000
[4] Refrigerating A,Data equipment power trends and cooling applications[J]，SEMI-THERM Symposium，2005.192,125-131
[5] Izuh O,System-level thermal design and testing of a 3G wireless networkgateway[J]，SEMI-THERM Symposium，2006.154,16-22
[6] 吕永超，杨双根， 电子设备热分析、热设计及热测试技术综述及最新进展[J]，电子机械工程，2007.23（1），5-10
[7] 周敏，任炳礼，张亿胜， 某电子设备的自然散热设计仿真[J]，电子产品可靠性与环境试验，2007.8，27-30
[8] Xu Guoping,Thermal modeling of multi-core processors[J]，Components andPackaging Technologies,2006.26,16-23
[9] Xu Guoping,Lee Follmer,Thermal solution development for high-end serversystems[J]，SEMI-THERM sympsium，2005.9,33-38
[10] 吕永超，杨双根， 电子设备热分析、热设计及热测试技术综述及最新进展[J]，电子机械工程，2007.23（1），5-10