自然散热电子产品的外壳热设计
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。
ft_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（24）式，芯片的选型，外壳材料的特性、厚度和表面积的设r