高性能CPCIe總線主模塊散熱熱管設(shè)計與分析

徐國強

(江蘇自動化研究所，連云港 222006)

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高性能CPCIe總線主模塊散熱熱管設(shè)計與分析

徐國強

(江蘇自動化研究所，連云港 222006)

隨著抗惡劣環(huán)境計算機技術(shù)的發(fā)展，計算機性能提高的同時對散熱的要求也越來越高。傳統(tǒng)的冷板被動散熱方式已無法滿足高性能模塊的散熱需求，因此，熱管技術(shù)急需應(yīng)用到抗惡劣環(huán)境計算機系統(tǒng)中。將熱管技術(shù)與高性能緊湊型外設(shè)部件互連(快速)(CPCIe)、高性能計算架構(gòu)設(shè)計技術(shù)相結(jié)合，提出了一種CPCIe主模塊熱管散熱技術(shù)，并對其進行理論分析、設(shè)計和試驗驗證。該技術(shù)已成功應(yīng)用，經(jīng)測試能夠有效提高主模塊的散熱性能。

高性能；散熱；緊湊型外設(shè)部件互連(快速)；熱管

0 引 言

在抗惡劣環(huán)境計算機技術(shù)快速發(fā)展的背景下，抗惡劣環(huán)境計算機模塊的處理性能和處理速度等相關(guān)指標獲得了很大的提升，在傳統(tǒng)緊湊型外設(shè)部件互連(CPCI)總線架構(gòu)下，隨著模塊本身處理能力的逐步提高，32位/33 MHz的CPCI總線的傳輸帶寬只有132 MB/s，模塊間通信帶寬的瓶頸大大制約了抗惡劣環(huán)境計算機的性能。

隨著商用外設(shè)部件互連(快速)(PCIe)總線和緊湊型外設(shè)部件互連(快速)(CPCIe)總線技術(shù)的逐漸普及，近幾年在抗惡劣環(huán)境計算機領(lǐng)域，該類型高速串行總線技術(shù)也逐步獲得了大量的研發(fā)和應(yīng)用研究，在印制板上信號的傳輸速率達到2.5 Gbps以上，相比之前的CPCI規(guī)范的傳統(tǒng)加固計算機，其系統(tǒng)內(nèi)信號速度有了很大的提升，大大緩解了系統(tǒng)的信號傳輸帶寬壓力[1-2]。

隨著電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，處理器單位面積的計算性能也提高很快，其頻率和處理速度的提高以及集成電路的密集和小型化帶來電子元件在單位空間內(nèi)的發(fā)熱量指標迅猛增長。電子器件一般均有一個正常的工作溫度范圍，超過這個范圍，元件性能將顯著下降，不能穩(wěn)定工作，因而也影響系統(tǒng)運行的可靠性。研究資料表明，半導(dǎo)體元件溫度每升高10℃，系統(tǒng)的可靠性指標降低50%[3]。

電子技術(shù)的發(fā)展需要良好的散熱手段來保證。這種散熱手段要求保證計算機產(chǎn)品的可靠性、維修性、測試性等6項指標不斷提高，熱管技術(shù)因而比傳統(tǒng)的傳導(dǎo)散熱和風(fēng)冷等技術(shù)擁有更好的優(yōu)勢。國內(nèi)外已有大量的對熱管技術(shù)的研究和應(yīng)用驗證工作，該技術(shù)已成熟應(yīng)用于嵌入式電子產(chǎn)品相關(guān)的需要高散熱效率的產(chǎn)品領(lǐng)域。在抗惡劣環(huán)境計算機領(lǐng)域，熱管散熱設(shè)計技術(shù)也已逐步成為重點工程應(yīng)用技術(shù)，還需要進一步的研究以加強該項技術(shù)的成熟度。

1 熱管散熱原理

熱管的基本工作原理如圖1所示。典型的熱管由3個部分組成：管殼、吸液芯和端蓋[4]。管的兩端分別為蒸發(fā)段和冷凝段，熱管中間位置為絕熱段[5]。當熱管的一端受熱時，熱管內(nèi)部液體蒸發(fā)汽化，由于熱管蒸發(fā)段的汽體受到氣壓差驅(qū)動，熱量通過蒸汽流完成轉(zhuǎn)移，隨著蒸汽在冷凝端的液化，熱量也得到釋放。在此循環(huán)機制下，熱量在熱管兩端之間獲得了平衡。

圖1 熱管基本原理圖

從熱管的結(jié)構(gòu)和工作原理可知，熱管具有很高的導(dǎo)熱性、優(yōu)良的等溫性和熱密度可變性，因此具有良好的環(huán)境適應(yīng)性。憑借優(yōu)異的特性及其制造工藝的逐步改良和完善，熱管技術(shù)已逐步應(yīng)用于宇航和軍工領(lǐng)域。因此，在抗惡劣環(huán)境計算機產(chǎn)品的應(yīng)用領(lǐng)域，由于其性能提升帶來的散熱需求，熱管技術(shù)的應(yīng)用和工程化將很好地解決了此類問題。

2 基于CPCIe模塊的散熱熱管理論分析與設(shè)計

如圖2所示，參考Compact PCI Express標準中6U模塊散熱蓋板的設(shè)計規(guī)范，本文開展了在加固CPCIe模塊蓋板上加裝散熱熱管的分析和設(shè)計等工作，CPCIe總線模塊上大發(fā)熱量芯片(如處理器等)的熱量傳導(dǎo)至模塊的加固蓋板上，蓋板上加裝的熱管將熱量傳導(dǎo)至模塊蓋板兩側(cè)與機箱壁貼合的導(dǎo)熱截面上，相比于傳統(tǒng)散熱蓋板的散熱技術(shù)，大大提升了散熱效率。

圖2 加固CPCIe模塊的熱管傳導(dǎo)散熱示意圖

熱阻是對散熱通道上各散熱器件散熱性能的定量指標[6]，本文開展工作主要參考標準6U模塊尺寸，針對物體持續(xù)傳熱功率以每單位(W)功率變化時，導(dǎo)熱路徑兩端所產(chǎn)生的溫差指標開展研究和驗證，單位為℃/W。熱阻越大，熱傳導(dǎo)性能越差，在一定的環(huán)境溫度和主板功率條件下，熱阻小的傳導(dǎo)路徑會讓主板各芯片表面溫度很好地傳到芯片的散熱器件外部，保證芯片表面溫度更低，可以更加穩(wěn)定地發(fā)揮其性能。主模塊熱量傳導(dǎo)的橫截面示意如圖3所示，CPU的發(fā)熱量通過導(dǎo)熱膠墊傳導(dǎo)給蓋板，再通過導(dǎo)熱膠傳導(dǎo)給熱管，最后通過蓋板和熱管一起將熱量傳導(dǎo)至機箱壁。

圖3 基于熱管的傳導(dǎo)散熱橫截面示意圖

主模塊的蓋板為鋁蓋板，模塊上各芯片(以CPU處理器為主)的熱量通過圖4所示路徑傳至機箱壁，將會遇到各種熱阻，其過程可用電模擬的方法進行分析。

圖4 基于熱管的傳導(dǎo)散熱等效熱阻布局示意圖

針對以上設(shè)計，忽略散熱環(huán)節(jié)之間空氣間隙的導(dǎo)熱和輻射因素，結(jié)合熱阻計算理論如下：

(1) 主模塊中處理器和蓋板之間導(dǎo)熱膠墊的熱阻計算因素包括：處理器及其相鄰蓋板之間的導(dǎo)熱膠墊的尺寸為21 mm×10 mm×1 mm，導(dǎo)熱膠墊的導(dǎo)熱系數(shù)K=15 W/(m·℃)；

(2) 模塊蓋板為鋁材質(zhì)，鋁材料的導(dǎo)熱系數(shù)K=204 W/(m·℃)；

(3) 熱管根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計分為并聯(lián)式的2個散熱通道，通道1的等效面積為120 mm2，通道2的等效面積為360 mm2，且各自分為加熱段和冷凝段，熱管的導(dǎo)熱系數(shù)K=399 W/(m·℃)；

(4) 熱管與鋁蓋板之間采用高效能導(dǎo)熱膠粘結(jié)，其散熱等效面積與通道1和通道2的熱管散熱面積一致，導(dǎo)熱膠的導(dǎo)熱系數(shù)K=4 W/(m·℃)。

圖4中Rxg為芯片和鋁蓋板之間導(dǎo)熱膠墊的熱阻；R1g為鋁蓋板的熱阻；Rrg為熱管的熱阻；Rrj為熱管與鋁蓋板之間導(dǎo)熱膠的熱阻。

根據(jù)Rt=δ/KA[1]以及熱管散熱計算機公式計算得：

芯片和鋁蓋板之間導(dǎo)熱膠墊的熱阻:Rxg=0.317 4℃/W。

鋁蓋板的熱阻:R1g=19.964 1×10-3℃/W。

熱管通道1的熱阻Rrg1和通道2的熱阻Rrg2經(jīng)計算得出:Rrg1=0.041 8℃/W，Rrg2=0.013 9℃/W。

導(dǎo)熱膠的熱阻:Rrj=0.14 ℃/W。

在基于熱管的CPCIe散熱機箱中，主模塊芯片的熱傳導(dǎo)途徑中總熱阻為:

與傳統(tǒng)以及常用的只用導(dǎo)熱蓋板設(shè)計方式、其熱阻在2～2.5 ℃/W左右相比，該種新型熱管散熱技術(shù)理論上將大大提高主模塊大功率散熱器件的散熱效果。

3 實際測試結(jié)果與分析

在設(shè)計和理論分析的基礎(chǔ)上，首先在傳統(tǒng)加固模塊安裝蓋板后放置在標準抗惡劣環(huán)境482.6m計算機機箱中進行溫度試驗驗證，之后在傳統(tǒng)加固蓋板的基礎(chǔ)上設(shè)計集成了散熱熱管進行試驗驗證對比。

散熱模塊熱設(shè)計受蓋板加工精度、器件焊接誤差、器件承受壓力極限、維修性等條件限制，在一定壓力的條件下(器件承受壓力極限)，蓋板與發(fā)熱器件之間的導(dǎo)熱膠墊需要有一定的變形量來包容各種誤差，以達到傳熱效果。

表1 傳統(tǒng)散熱方式下加固計算機主板溫升測試數(shù)據(jù)表

國內(nèi)外導(dǎo)熱膠墊種類很多，受導(dǎo)熱膠墊填充材料材質(zhì)和制作工藝限制，目前合適的柔性導(dǎo)熱膠墊的最佳導(dǎo)熱系數(shù)僅為K=12W/(m·K)左右，約為模塊蓋板材料的6.5%，因此發(fā)熱器件與蓋板安裝預(yù)留間隙對發(fā)熱器件至蓋板等效熱阻影響很大。

為了減小發(fā)熱器件至蓋板的等效熱阻，一方面選擇新型柔性導(dǎo)熱膠墊，標稱導(dǎo)熱系數(shù)12W/(m·K)；另一方面在柔性導(dǎo)熱膠墊壓縮量、器件承受壓力允許的條件下，盡量減小發(fā)熱器件與蓋板安裝預(yù)留間隙，在工藝控制允許的前提下，間隙指標控制在1mm以內(nèi),將大大提高散熱通道上的熱阻。

圖5 主板熱管蓋板實物示意圖

蓋板段導(dǎo)熱優(yōu)化采用中溫?zé)Y(jié)型熱管。燒結(jié)型熱管能克服一定高度的重力作用，穩(wěn)定可靠，導(dǎo)熱性能高，等效導(dǎo)熱能力至少是同形狀鋁板2A12(H112)的10倍以上，在導(dǎo)熱功率30～60W時，熱端與冷端的溫差一般不大于5℃。

采取相同的試驗驗證方式，與傳統(tǒng)散熱方式的指標對比，試驗結(jié)果表明，通過加裝熱管完成優(yōu)化后的模塊散熱蓋板，在蓋板內(nèi)側(cè)CPU發(fā)熱點和外側(cè)熱管之間的溫差由原來的24℃以上降低至18℃左右，大大改善了模塊蓋板在CPU附近到模塊蓋板邊緣之間的導(dǎo)熱性能，因此具有更好的散熱效果。

4 結(jié)束語

該新型技術(shù)已應(yīng)用于某型號CPCIe總線架構(gòu)抗惡劣環(huán)境計算機主模塊的蓋板設(shè)計和應(yīng)用中，在大大提高計算機性能和發(fā)熱量的同時，該新型熱管在實測過程中其熱阻不大于1～1.5 ℃/W，而傳統(tǒng)以及常用的熱阻在2～2.5 ℃/W左右，顯然，在加固CPCIe機箱中采用基于熱管的散熱方法明顯降低了CPCIe主模塊芯片的熱傳導(dǎo)熱阻，大大加強了主模塊對外的散熱性能，解決了密封機箱的高性能模塊的高功耗散熱問題，同時，該項技術(shù)也能夠應(yīng)用于類似多協(xié)議交換(VPX)等各種通信帶寬要求高、發(fā)熱量大等需要提高散熱效率的系統(tǒng)應(yīng)用中。

[1] 孟會，劉雪峰.PCIExpress總線技術(shù)分析[J].計算機工程，2006,32(23):253-258.

[2] 屈濤.抗惡劣環(huán)境CompactPCI-Express計算機實現(xiàn)技術(shù)[C]//中國計算機協(xié)會抗惡劣環(huán)境計算機委員會.全國抗惡劣環(huán)境計算機第二十屆學(xué)術(shù)年會論文集，2010:264-270.

[3] 楊家堅，莫郁微.電子設(shè)備可靠性預(yù)計技術(shù)的應(yīng)用[J]．電子質(zhì)量，2000(2):27-30.

[4] 黃慶.熱管用于筆記本電腦散熱的研究[D].南京:東南大學(xué),2005.

[5] 張明.高性能平板熱管均熱器的研發(fā)及其傳熱特性的研究[D].北京:北京工業(yè)大學(xué),2009.

[6] 邱海平.電子元器件及儀器的熱控制技術(shù)[M].北京:電子工業(yè)出版社，1991.

Design and Analysis of Heat Pipe Applied to High Performance Main Module of CPCIe Bus

XU Guo-qiang

(Jiangsu Automation Research Institution,Lianyungang 222006,China)

With the development of computer technology against abominable environment,the computer performance is improved,at the same time the demand of heat dissipation to computer becomes higher and higher.Traditional passive heat dissipation mode of cooling board can not satisfy the cooling demand of high performance computing modules,so heat pipe technology is in dire need of applying to the computer system against abominable environment.This article combines the heat pipe technology with compact peripheral component interconnect express (CPCIe) & high performance computing architecture design technology，presents a heat dissipation technology of heat pipe for high performance CPCIe main module,and performs theoretical analysis,design and test validation.The technology has been applied successfully,and the test proves that it can improve the heat dissipation performance of main module effectively.

high performance；heat dissipation；compact peripheral component interconnect express；heat pipe

2016-03-24

TM2;TP3

A

CN32-1413(2016)03-0086-04

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.03.022