基于ANSYS仿真的微波組件熱可靠性設(shè)計

2017-03-29  by:CAE仿真在線  來源:互聯(lián)網(wǎng)

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(chǎn)生的熱耗不斷增長,微波組件的熱可靠性面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)[1-4]。穩(wěn)壓器是微波組件中常用的功率器件,受封裝形式的約束,穩(wěn)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(yán)重。穩(wěn)壓器的散熱性能直接影響其工作結(jié)溫[5]。結(jié)溫過高不僅對穩(wěn)壓器的性能與壽命產(chǎn)生影響,也對微波組件的持續(xù)有效工作帶來隱患。本文從結(jié)構(gòu)熱設(shè)計的角度出發(fā),結(jié)合ANSYS仿真軟件,針對具體微波組件進(jìn)行熱學(xué)仿真[6],通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計,降低穩(wěn)壓器結(jié)溫,提高微波組件的熱可靠性。

2 基本原理

結(jié)溫是指處于電子設(shè)備中實(shí)際半導(dǎo)體芯片的最高溫度,結(jié)溫TJ 計算公式如下,相關(guān)變量定義與單位如表1 所示。

結(jié)合公式可知,降低結(jié)溫主要有以下途徑:

1)降低環(huán)境溫度;

2)降低熱耗;

3)降低熱阻。

在工程實(shí)際中,環(huán)境溫度往往難以改變;通過串聯(lián)多級穩(wěn)壓器雖可降低單級穩(wěn)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(wěn)壓器,其結(jié)-殼熱阻θJC 為固定值無法改變。本文通過降低殼-環(huán)境熱阻θCA,實(shí)現(xiàn)降低穩(wěn)壓器結(jié)溫的目的。

3 微波組件模型

圖1 為本文用于熱可靠性設(shè)計的微波組件模型示意圖,為了突出研究重點(diǎn),對模型中不影響仿真結(jié)果的螺紋孔、圓倒角等特征進(jìn)行適當(dāng)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(wěn)壓器選用美國NS 公司的LM317AEMP 系列穩(wěn)壓器,外形尺寸為6.5 mm×3.6 mm×1.6 mm,其結(jié)溫TJ 范圍是[-40℃, 125℃],考慮三級降額設(shè)計標(biāo)準(zhǔn),結(jié)溫TJ 應(yīng)不大于105℃。結(jié)-殼熱阻θJC=23.5℃/W,穩(wěn)壓器1~3 的熱耗均為1.0W,穩(wěn)壓器4 的熱耗為0.2W,環(huán)境溫度為25℃。

4 原始模型仿真結(jié)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(jié)果分析

圖3 為原始模型熱分布圖。由圖可知,最高殼溫出現(xiàn)在穩(wěn)壓器1 、2 上, 其平均殼溫TC=89.33℃,結(jié)合公式(1)可得穩(wěn)壓器1、2 的平均結(jié)溫TJ=112.83℃,無法滿足穩(wěn)壓器三級降額設(shè)計標(biāo)準(zhǔn),應(yīng)采取措施降低穩(wěn)壓器的結(jié)溫。

圖3 原始模型熱分布圖

5 改進(jìn)模型仿真結(jié)果分析

5.1 改進(jìn)模型概述

通過上述分析不難看出,降低穩(wěn)壓器的 殼-環(huán)境熱阻θCA,關(guān)鍵在于增加穩(wěn)壓器的傳熱途徑。

圖4 為改進(jìn)模型盒體示意圖。相比于原始模型盒體,改進(jìn)模型盒體設(shè)計了穩(wěn)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(wěn)壓器位置相互重合。

圖4 改進(jìn)模型盒體示意圖

5.2 仿真結(jié)果分析

圖5 為改進(jìn)模型熱分布圖。最高殼溫依然出現(xiàn)在穩(wěn)壓器1、2 上,其平均殼溫TC=80.46℃,結(jié)合公式( 1 ) 可得穩(wěn)壓器1 、2 的平均結(jié)溫TJ=103.96℃,滿足穩(wěn)壓器三級降額設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。相比于原始模型,其平均結(jié)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(wěn)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(shè)計。

圖5 改進(jìn)模型熱分布圖

5 結(jié) 論

本文以功率器件穩(wěn)壓器為研究對象,結(jié)合ANSYS 仿真軟件,研究了某微波組件熱可靠性設(shè)計的過程,主要結(jié)論如下:當(dāng)穩(wěn)壓器地?zé)岷妮^高或熱阻較大時,在減重指標(biāo)允許的前提下,應(yīng)對微波組件進(jìn)行熱可靠性設(shè)計;傳熱凸臺的設(shè)計能夠有效降低穩(wěn)壓器的殼-環(huán)境熱阻、改善穩(wěn)壓器的結(jié)溫,對于微波組件的熱可靠性設(shè)計具有重要意義。

作者:潘 滸 馬樂娟 等 南京電子設(shè)備研究所

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