基于ANSYS仿真的微波組件熱可靠性設計

2017-03-29 by:CAE仿真在線來源:互聯網

1 引言

隨著微波組件集成化程度的日益提高,單位體積的功率器件產生的熱耗不斷增長,微波組件的熱可靠性面臨嚴峻挑戰[1-4]。穩壓器是微波組件中常用的功率器件,受封裝形式的約束,穩壓器的散熱性能普遍較差,對于減重要求較高的微波組件其散熱問題尤為嚴重。穩壓器的散熱性能直接影響其工作結溫[5]。結溫過高不僅對穩壓器的性能與壽命產生影響,也對微波組件的持續有效工作帶來隱患。本文從結構熱設計的角度出發,結合ANSYS仿真軟件,針對具體微波組件進行熱學仿真[6],通過優化結構設計,降低穩壓器結溫,提高微波組件的熱可靠性。

2 基本原理

結溫是指處于電子設備中實際半導體芯片的最高溫度,結溫TJ 計算公式如下,相關變量定義與單位如表1 所示。

結合公式可知,降低結溫主要有以下途徑:

1)降低環境溫度;

2)降低熱耗;

3)降低熱阻。

在工程實際中,環境溫度往往難以改變;通過串聯多級穩壓器雖可降低單級穩壓器的熱耗,但對印制板的空間亦提出更高要求;對于同種穩壓器,其結-殼熱阻θJC 為固定值無法改變。本文通過降低殼-環境熱阻θCA,實現降低穩壓器結溫的目的。

3 微波組件模型

圖1 為本文用于熱可靠性設計的微波組件模型示意圖,為了突出研究重點,對模型中不影響仿真結果的螺紋孔、圓倒角等特征進行適當簡化。如圖1 所示,盒體外形尺寸為118.5mm×57mm×16.5mm,材料為硬鋁合金;印制板外形尺寸為112.8mm×43.5mm×1mm,基板材料為聚四氟乙烯,基板表面敷銅;穩壓器選用美國NS 公司的LM317AEMP 系列穩壓器,外形尺寸為6.5 mm×3.6 mm×1.6 mm,其結溫TJ 范圍是[-40℃, 125℃],考慮三級降額設計標準,結溫TJ 應不大于105℃。結-殼熱阻θJC=23.5℃/W,穩壓器1~3 的熱耗均為1.0W,穩壓器4 的熱耗為0.2W,環境溫度為25℃。

圖1 微波組件模型示意圖

4 原始模型仿真結果分析

4.1 原始模型概述

圖2 為原始模型盒體示意圖,考慮到該微波組件有較高的減重要求,加之印制板底層排布有器件,因此盒體的底面被大面積挖空,僅保留若干印制板安裝凸臺,印制板與盒體的直接接觸面積極為有限。

圖2 原始模型盒體示意圖

4.2 仿真結果分析

圖3 為原始模型熱分布圖。由圖可知,最高殼溫出現在穩壓器1 、2 上, 其平均殼溫TC=89.33℃,結合公式(1)可得穩壓器1、2 的平均結溫TJ=112.83℃,無法滿足穩壓器三級降額設計標準,應采取措施降低穩壓器的結溫。

圖3 原始模型熱分布圖

5 改進模型仿真結果分析

5.1 改進模型概述

通過上述分析不難看出,降低穩壓器的殼-環境熱阻θCA,關鍵在于增加穩壓器的傳熱途徑。

圖4 為改進模型盒體示意圖。相比于原始模型盒體,改進模型盒體設計了穩壓器傳熱凸臺,其垂直高度與印制板安裝凸臺保持一致,其水平位置與穩壓器位置相互重合。

圖4 改進模型盒體示意圖

5.2 仿真結果分析

圖5 為改進模型熱分布圖。最高殼溫依然出現在穩壓器1、2 上,其平均殼溫TC=80.46℃,結合公式( 1 ) 可得穩壓器1 、2 的平均結溫TJ=103.96℃,滿足穩壓器三級降額設計標準。相比于原始模型,其平均結溫的絕對值下降了8.87℃,相對值下降了7.86%,對于該微波組件而言,穩壓塊的散熱條件得到一定的改善,是行之有效的熱可靠性設計。

圖5 改進模型熱分布圖

5 結論

本文以功率器件穩壓器為研究對象,結合ANSYS 仿真軟件,研究了某微波組件熱可靠性設計的過程,主要結論如下:當穩壓器地熱耗較高或熱阻較大時,在減重指標允許的前提下,應對微波組件進行熱可靠性設計;傳熱凸臺的設計能夠有效降低穩壓器的殼-環境熱阻、改善穩壓器的結溫,對于微波組件的熱可靠性設計具有重要意義。

作者:潘滸馬樂娟等南京電子設備研究所

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