算例丨基于ANSYS Icepak软件的光电模块热仿真与设计

电子技术的迅速发展，电子元器件、集成电路、功率芯片等大功能模块日趋复杂，而功耗却越来越高，致使电子设备和组件的热流密度急剧增大。统计数据显示，超过55%的电子产品在使用过程中出现的故障是由于结构设计时散热系统不良所产生的。因此，电子产品热设计是系统结构设计中一个重要的环节，合理的散热设计能有效改善电子设备和组件的工作环境，减少故障率。基于航天领域的电子产品使用空间环境的特殊性，其小体积、轻重量、可高靠性的严格指标要求，在系统结构设计时考虑热设计显得尤为重要[1-2]。

系统结构热设计主要基于三种基本的热量传递方式：传导、对流及辐射。三种热量传递方式可以单独出现，也可以两种方式出现或者三种方式同时出现。当前，已经成功应用于结构系统热设计的散热控制方法有：液冷散热、风冷散热、喷雾散热、相变散热等[3]。对于航天电子设备来说，在空间高真空环境中，由于不存在对流散热方式，因此，只考虑传导传热和辐射传热两种散热方式。

空间用光电模块内部由于激光器和控制芯片等核心元器件在工作时会产生大量额外的热量，聚集的热量使光电模块内部工作温度不断升高，超过了元器件的额定温度，高温会影响内部温度敏感器件激光器和芯片的正常工作，从而导致激光器发射波长红移、阈值电流增加、以及模式不稳等现象，从而影响整个传输系统的稳定性。因此对于真空环境中的热功率密度较高的光电子产品，采取合适的热控措施，合理布置元器件和设计散热系统，对于系统的安全可靠运行变得非常关键。

光电模块安装在载荷舱液冷机箱内，该液冷机箱是基于新一代机载电子信息系统标准ASAAC 模块的安装平台，是一种高集成度的开放式模块安装平台。安装的模块是ASAAC 标准结构模块，对插连接器选用LRM 系列盲插连接器。液冷机箱共有40 个标准模块安装槽位，每个槽位间距为25.4mm，具体结构如图1 所示。该光电模块占用液冷机箱内一个槽位，采用标准的ASAAC 模块结构。ASAAC 模块的外形结构如图2 所示，外形轮廓尺寸应满足160mm×233.4mm×24mm（L×W×H，不含连接器、锁紧装置、插拔装置），模块与机箱导轨接触的界面温度为50℃，为保证设备工作可靠，所有元器件的温度应满足一级降额要求。

图1 某机载液冷机箱的具体结构

图2 ASAAC 模块结构外形图

液冷机箱的散热方式采用系统强迫液冷方式，模块与机箱采用传导传热，优先选用高导热率的金属铝（2A12-H112），来设计一条液冷机箱与发热元器件低热阻的传热路径。在结构设计时，优先选用高导热系数、大压缩比、小厚度的柔性导热垫或导热硅脂来减少传热路径上的热阻。

液冷机箱内的模块传热路径见图3 所示，激光器和控制芯片等发热器件通过模块底板将热传导至模块导向肋片上，锁紧条将导向肋片压紧到冷板导轨条上，热量再通过肋片与导轨条的导热接触面传递到冷板上，最终由冷却液带走。该液冷机箱优点是结构模块设计紧凑，传热路径热阻低，冷却方式容易实现和控制。机箱空间利用率高，散热效率好，可靠性高，成本低廉，产品维修性好。

 

2.1 热模型建立

   

热仿真分析采用Ansys Icepak 软件进行，根据仿真软件的特点和要求，在建立计算仿真模型时，在保证计算精度的前提下，对实际物理模型进行了必要的简化。仿真模型主要进行了以下简化处理：

（1）不考虑空间热辐射、地球引力和空气对流对光电模块的影响；

（2）对内部模块和ASAAC 模块两侧的起拔装置和锁紧装置简化成等体积的立方体；

图3 模块传热结构及要求

（3）忽略模块内部结构设计中的倒角、螺纹孔、短边、过孔等几何特征；

（4）模块内各元器件的热耗均匀分布于该元器件上；

（5）计算模型未包含接插件、电缆和光缆等不发热器件，最终简化模型如图4 所示。

图4 模块热分析简化模型

Icepak 软件具备自动划分网格的功能，用户可以根据计算模型的特性来选择网格划分的格式，模型网格包括非结构、结构和混合网格。该计算模型采用非结构网格划分网格，总的单元数和节点数分别是：159453、149852。系统计算出来的Reynolds 数和Peclet数分别为677.92 和1000000，计算模型选择层流模型。

模块工作环境为真空环境，环境温度25℃；模块与机架导轨接触的界面温度为50℃，散热方式：热传导。导入模型并设置各个元器件的热耗（见表1）和材料物性属性（见表2）及接触热阻，接触热阻的参考值为1.5×10-4m2·℃/W。利用Icepak 进行稳态热分析，评估各个元器件的工作情况是否满足一级降额要求。

 

2.2 热分析结果

   

根据初始边界条件求解得到模块达到热稳态时的温度分布情况。图5 给出了模块的的温度分布云图，计算结果表明，激光器和控制芯片的最高壳温分别为62.56℃和64.49℃，通过计算得到各个元器件工作结温见表3，由于激光器工作结温74.57℃不满足一级降额的设计要求，因此原设计方案需要进一步改进。

图5 模块温度分布云图

 

2.3 方案改进

   

由于模块内部激光器的散热不良，导致激光器波长漂移从而影响整个传输链路的稳定性。因此，需对模块的散热方式做进一步研究。均热板是一个内壁具有吸液芯结构的真空腔体，当均热板局部受热时，热量传导至蒸发区时，腔体内的冷却液在低真空度的环境中受热发生汽化现象，吸收热量体积迅速膨胀，气相的冷却液迅速充满整个腔体。气体在冷凝面又凝成水，冷却液在微结构中毛细力作用下通过内部吸液芯结构又回到蒸发热源处，在腔体内循环进行。在循环力往复作用下，迅速将高热流密度区的热源均匀的传导至更大的散热面上，因此具有非常好的传热效果[4]。根据均热板的特性，采用大热耗器件紧贴均热板技术的散热设计，将模块底部安装板改为均热板，导热系数为2000W/(m•k)。图6 为均热板内部工作原理图。

图6 均热板工作原理图

图7 给出了改进后模块的温度分布云图，由于均热板技术良好的导热性能，整个模块的温度明显低于前期的方案设计。激光器和芯片的最高壳温分别为57.66℃和58.50℃，通过计算得到各个元器件工作结温详见表4，均满足一级降额的设计要求。

图7 模块温度分布云图

 

2.4 试验结果讨论

   

为了验证文中所提出的光电模块热分析简化模型的正确性以及大热耗器件紧贴均热板技术的热设计结果的合理性，对光电模块进行了真空试验验证，在试验过程中利用热敏电阻对关键元器件（激光器和控制芯片）的壳温及模块锁紧条处的温度进行了监测，并将仿真数据和试验数据进行了对比分析。图8 给出了试验装置系统图。表5 给出了仿真数据和试验数据的误差分析表。

从误差分析表可以看出:关键元器件壳温在系统达到平衡时基本相同，仿真结果与实测结果误差10%之内，在正常误差范围内，表明分析结果具有很高的准确度。因此，Icepak 仿真计算中采用的模型简化方法可靠有效，光电模块的热设计满足设计需求。

图8 试验装置系统图