插件導(dǎo)冷技術(shù)仿真研究

洪大良　邵世東　張根烜

摘 要：本文采用導(dǎo)冷技術(shù)解決高溫環(huán)境下插件的散熱問題。為確定該技術(shù)的散熱能力，本文進(jìn)行了仿真研究。研究結(jié)果表明，在供液溫度為30℃的時候，插件工作溫度不超過70℃，且其溫度隨著導(dǎo)冷板的導(dǎo)熱系數(shù)增加而降低，如果采用純銅作為導(dǎo)冷板材料，則采用該技術(shù)能夠解決單板200W以上插件散熱問題的潛力。由于該技術(shù)能夠大幅度降低插件的工作溫度并具有高可靠性等特點(diǎn)，因而具有在數(shù)字插件散熱中廣泛使用的潛力。

關(guān)鍵詞：插件；導(dǎo)冷；仿真；溫度

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.04.196

1 引言

電子工業(yè)的加速發(fā)展，對電子設(shè)備體積提出了小型化的需求，同時，電子設(shè)備的功能和復(fù)雜性日益增長，使得設(shè)備內(nèi)部電子器件整體功耗及熱量不斷增加，以上原因都會導(dǎo)致電子器件的工作溫度有升高的趨勢[1]。有研究表明，溫度每升高10攝氏度電子器件的失效率就會提高[2]，而55%的電子設(shè)備的失效是由電子器件的溫度過高導(dǎo)致[3]。雷達(dá)等軍用電子設(shè)備來需要信號處理分機(jī)對相關(guān)的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集處理，數(shù)字插件是信號處理分機(jī)的重要組成部分。傳統(tǒng)上數(shù)字插件都是采用風(fēng)冷技術(shù)進(jìn)行散熱[4-6]。采用風(fēng)冷技術(shù)對數(shù)字插件散熱會受到兩個方面的局限。一方面當(dāng)環(huán)境溫度升高的時候，數(shù)字插件上面功率器件的工作溫度會升高，這會影響數(shù)字插件工作的可靠性， 另外一方面采用風(fēng)冷技術(shù)要求在分機(jī)內(nèi)部具有帶翅片翅片的冷板以及相應(yīng)的風(fēng)道結(jié)構(gòu)，這會大幅度增加分機(jī)的外形尺寸和重量，從而增加了相應(yīng)的安裝空間。近年來液冷技術(shù)被引入到數(shù)字插件的散熱系統(tǒng)中，有研究人員[7]將帶流道的冷板直接貼在數(shù)字插件上，數(shù)字插件的熱量直接被冷板中的冷卻液流體帶走，采用該種技術(shù)散熱效果較好，但是由于采用該種液冷技術(shù)需要將冷板和分機(jī)壁面通過冷卻液接頭連接起來，這會帶來冷卻液在分機(jī)內(nèi)部泄露的風(fēng)險，從而嚴(yán)重影響分機(jī)的工作安全性?？紤]到以上散熱技術(shù)面臨的問題，本文采取插件導(dǎo)冷散熱技術(shù)解決DBF插件的散熱問題。

2 插件導(dǎo)冷散熱技術(shù)工作原理

圖1顯示的插件導(dǎo)冷散熱技術(shù)工作原理圖。發(fā)熱器件的熱量通過導(dǎo)熱襯墊傳遞到金屬導(dǎo)冷板上，然后這些熱量沿著金屬導(dǎo)冷板傳遞到機(jī)箱壁。機(jī)箱壁面內(nèi)部有流道，傳遞到機(jī)箱壁面的熱量被流道中的冷卻液帶走。通過前文的描述可以看出，發(fā)熱器件接觸的導(dǎo)冷板內(nèi)部沒有流道，機(jī)箱壁面上雖然有流道，但是其冷卻液的接頭在機(jī)箱壁外面，因此該散熱方案能防止機(jī)箱內(nèi)部發(fā)生冷卻液泄露情況，保證機(jī)箱內(nèi)部插件工作的安全性。

3 某DBF插件熱耗分布

圖2顯示的是某DBF插件發(fā)熱器件分布示意圖。表1顯示的是各器件的發(fā)熱量。從圖2和表1可以看出，搞DBF插件的發(fā)熱量約為53W，且其發(fā)熱量主要集中在發(fā)熱器件D1和D2上，這兩個器件的總熱耗約為40W，最高熱流密度約為1.5W/cm2。

4 仿真分析

為了確定插件導(dǎo)冷技術(shù)的散熱能力，本文對其散熱效果進(jìn)行了仿真分析，下面將對仿真分析的模型和結(jié)果進(jìn)行介紹。

4.1 模型介紹

圖3顯示的DBF插件導(dǎo)冷板3維模型。圖中紅色等各種顏色的方塊代表的是發(fā)熱器件，青色代表的是導(dǎo)冷板基板，藍(lán)色代表的是基板上的導(dǎo)冷條，導(dǎo)冷條和機(jī)箱壁面之間為干式接觸，所有器件的熱量都是通過導(dǎo)冷條傳遞到機(jī)箱壁面。發(fā)熱器件和導(dǎo)冷板之間裝有導(dǎo)熱襯墊，其當(dāng)量接觸換熱系數(shù)取值為5000W/（m2·℃），機(jī)箱內(nèi)冷卻液的進(jìn)口溫度為30℃，當(dāng)插件單板熱耗為53W的時候，考慮和接觸和傳導(dǎo)熱阻導(dǎo)冷條相對進(jìn)口冷卻液進(jìn)口溫升被設(shè)定為10℃，當(dāng)插件熱耗增加的時候，該溫升按照相同比例放大。顯熱，由于插件的熱量是通過導(dǎo)冷板傳遞到機(jī)箱壁面，因此在發(fā)熱器件位置分布確定的情況下導(dǎo)冷板的材料、厚度以插件的熱量都將對插件上芯片的工作溫度有重要的影響。

4.2 仿真結(jié)果

圖4顯示的是插件熱耗為53W、導(dǎo)冷板材料為6061鋁合金、導(dǎo)冷板厚度為4mm（不含凸臺高度）的時候插件熱仿真結(jié)果溫度云圖。從圖中可以看出插件中溫度最高的芯片為D1，其最高溫度為63.9℃，其他所有芯片的溫度均低于此值，顯然滿足指標(biāo)要求。圖5和圖6分別顯示的是當(dāng)導(dǎo)冷板材料為鋁和銅的時候插件熱仿真結(jié)果溫度云圖，從圖中可以看出導(dǎo)冷板材料為鋁的時候插件的最高溫度為57.1℃，導(dǎo)冷板材料為銅的時候插件的最高溫度為63.9℃，這是因為銅和鋁的導(dǎo)熱系數(shù)都遠(yuǎn)較6061鋁合金大，采用這兩種材料作為導(dǎo)冷板材料能夠大幅度降低沿程的傳熱熱阻，從而使得插件的溫度降低。

圖5顯示的是分別采用鋁合金6061、鋁以及銅作為導(dǎo)冷板材料的時候，插件芯片最高溫度隨著插件熱耗變化的規(guī)律。需要注意的是，當(dāng)插件熱耗發(fā)生改變的時候，本文假定各器件的熱耗按照相同的比例發(fā)生變化。從圖中可以看出隨著插件熱耗的增加，插件芯片最高溫度不斷增加，當(dāng)使用鋁合金6061作為導(dǎo)冷板材料的時候當(dāng)插件的熱耗不超過80W的時候，插件的最高溫度滿足溫度指標(biāo)，當(dāng)使用鋁和銅作為導(dǎo)冷板材料的時候，插件都能在熱耗不大于110W的情況下正常工作，且用銅作為導(dǎo)冷板材料的時候插件的芯片的最高溫度更低。

考慮到現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱的尺寸，導(dǎo)冷板的厚度只要不大于8mm就不影響其安裝，因此本溫在這里分析了導(dǎo)冷板厚度對DBF插件芯片溫度的影響。圖6顯示的是在插件熱耗為150W，導(dǎo)冷板材料為銅的時候，DBF插件芯片最高溫度隨導(dǎo)冷板厚度變化的規(guī)律。從文中可以看出隨著導(dǎo)冷板厚度的增加插件芯片的最高溫度不斷降低，這是因為隨著導(dǎo)冷板厚度的增加，芯片熱量傳遞到導(dǎo)冷條過程的導(dǎo)熱熱阻減少。

5 結(jié)論

本文采用插件導(dǎo)冷散熱技術(shù)解決DBF插件的散熱問題，并對其散熱能力和特點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)的分析和討論，主要結(jié)論如下：

（1）插件導(dǎo)冷散熱技術(shù)通過金屬導(dǎo)冷板將插件熱量傳遞到液冷機(jī)箱，該技術(shù)具有結(jié)構(gòu)簡單、安全可靠等特點(diǎn)，能長時間高效穩(wěn)定工作。

（2）插件導(dǎo)冷散熱技術(shù)散熱能力的大小取決于導(dǎo)冷條和機(jī)箱壁面的接觸熱阻、導(dǎo)冷板的材料、導(dǎo)冷板的厚度以及發(fā)熱器件在插件上的排布等情況。

（3）如果導(dǎo)冷板厚度選擇4.5mm，則采用6061鋁合金作為導(dǎo)冷板材料能夠解決單板80W的DBF插件的散熱問題，采用鋁和銅作為導(dǎo)冷板材料都能解決單板110W的DBF插件的散熱問題，且采用導(dǎo)熱系數(shù)更高的銅作為導(dǎo)冷板材料更高。

參考文獻(xiàn)：

[1]余建祖.電子設(shè)備熱設(shè)計及分析技術(shù)[M].北京：高等教育出版社，2001.

[2]郭磊.電子器件散熱及冷卻的發(fā)展現(xiàn)狀研究[J].低溫與超導(dǎo)，2014，42（02）：62-66.

[3]Mark Spencer Cooper，Investigation of Arrhenius acceleration factor for integrated circuit early life failure region with several failure mechanisms， IEEE Transactions on components and packaging technologies， Vol. 28， No. 3， September 2005.

[4]潘美娜.小型通信機(jī)箱的熱分析及優(yōu)化設(shè)計[D].上海交通大學(xué)，2013.

[5]宋敏，程翔.某型號雷達(dá)室外密封插箱研制綜述[J].電子機(jī)械工程，2008，24（03）：47-49.

[6]陳登瑞，姜篤山，趙文虎.某高熱密度密閉機(jī)箱設(shè)計[J].電子機(jī)械工程，2013，29（03）：5-8.

[7]馮靜，顧林衛(wèi)，吳學(xué)群，俞華.一種液電一體液冷機(jī)箱[P].實用新型專利，ZL201420005030.7.

作者簡介：洪大良（1989-），男，安徽人，博士，研究方向：制冷及電子設(shè)備熱設(shè)計。