某高熱密度密閉機箱散熱設(shè)計*

劉 上 曹寧生 馬 辰 段曉峰

（1.中國艦船研究院 北京 100101）（2.中國電子科技集團公司第三十二研究所 上海 201808）

1 引言

近年來，大數(shù)據(jù)和云計算技術(shù)飛速發(fā)展，對服務(wù)器機柜的性能要求也越來越高，這主要表現(xiàn)在芯片集成度和模塊組裝密度均大幅提升，導(dǎo)致機箱內(nèi)部熱密度居高不下［1］。例如，新一代艦載加固機箱內(nèi)部熱耗可達千瓦量級，封裝級熱流密度可超過30W/cm2［2］。

密閉加固機箱由于具有良好的抗震動沖擊性能、三防性能和電磁兼容性能，在軍用環(huán)境下被廣泛采用。但這也導(dǎo)致機箱內(nèi)部發(fā)熱器件與外部空氣隔絕，加大散熱難度，使得溫度持續(xù)攀升。功率器件的可靠性與其溫度緊密相關(guān)，美空軍整體計劃分析報告里指出：電子設(shè)備的失效有55%是由溫度引起的。在電子行業(yè)，器件的環(huán)境溫度升高10℃，失效率往往會增加一個數(shù)量級，這就是所謂的“10℃法則”［3］。

在產(chǎn)品設(shè)計過程中，設(shè)計人員需要將結(jié)構(gòu)和熱設(shè)計結(jié)合起來統(tǒng)一考慮［4］，通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)布局來協(xié)助熱設(shè)計，通過熱設(shè)計反過來支撐結(jié)構(gòu)尺寸。兩者相互迭代，一體設(shè)計，將有利于提高整個系統(tǒng)的集成度和可靠性。以下將以某高熱密度密閉機箱為例，按流程圖1具體說明解決方案。

圖1 熱設(shè)計流程圖

2 冷卻方式選擇

如表1所示，整個機箱熱耗合計為560.5W。在穩(wěn)態(tài)下整個機箱外表面的平均熱流密度可按下式計算：

式中，A為機箱外表面散熱總面積（cm2）；Φt為整個機箱內(nèi)總熱耗（W）。

根據(jù)相關(guān)要求，機箱的最高環(huán)境溫度不超過55℃，考慮到其內(nèi)部模塊、器件的耐高溫性能（不超過85℃～105℃），其內(nèi)部溫升應(yīng)控制在30℃～50℃范圍之內(nèi)。圖2為根據(jù)設(shè)備的允許溫升和熱流密度確定冷卻方式的選擇圖［5］，由計算結(jié)果可知，該機箱散熱方式落在強迫風(fēng)冷區(qū)。

圖2 機箱冷卻方式選擇圖

2 模塊的熱安裝

根據(jù)相關(guān)要求，風(fēng)路方向為前進后出，通過與上下散熱翅片換熱帶走熱量。本著熱安裝的兩條基本原則——充分利用傳導(dǎo)散熱和對流換熱［6］，優(yōu)先將熱耗大的三個電源模塊和處理模塊分別與機箱上下壁貼合，并將擴展III模塊與機箱右壁貼合。其余模塊則依據(jù)結(jié)構(gòu)尺寸余量進行“積木式”排布。整體機箱結(jié)構(gòu)和內(nèi)部模塊布局如圖3和圖4所示。同時預(yù)先在各模塊上采取相應(yīng)措施，如圖5所示。

1）模塊壓板采用導(dǎo)熱系數(shù)較高的鋁合金材料，對于熱耗最大的處理模塊，則采用導(dǎo)熱系數(shù)更大的紫銅，表面均進行導(dǎo)電氧化處理。

圖3 整體機箱結(jié)構(gòu)爆炸圖

圖4 機箱內(nèi)部模塊熱安裝示意

2）在芯片和壓板貼合面上使用高性能導(dǎo)熱墊作為界面材料，以降低接觸熱阻，同時避免芯片和壓板由于熱膨脹系數(shù)不同而引起的接觸應(yīng)力［7］。

3）對于熱耗小于30W的模塊，兩側(cè)采用楔形鎖緊裝置，使其與機箱內(nèi)壁上散熱肋片緊密貼合，降低接觸熱阻。

4）對于熱耗大于等于30W的模塊，兩側(cè)需反向安裝楔形鎖緊裝置，使其直接與機箱內(nèi)壁或傳熱板機架貼合，在3）的基礎(chǔ)上進一步增大導(dǎo)熱面積，并在貼合大面上使用導(dǎo)熱墊作為界面材料［8］。

圖5 各模塊散熱措施

由于PCB板上各芯片高度并不一致，因此需在壓板上制作出凸臺［9］，使發(fā)熱量大的芯片都能與凸臺貼合，從而進行有效熱傳導(dǎo)。如圖6所示，以處理模塊為例，給出了PCB上主要發(fā)熱芯片的完整熱安裝示意圖。

圖6 主處理模塊上芯片熱安裝方式

3 風(fēng)道設(shè)計

3.1 風(fēng)機選擇

一般來講，風(fēng)機能提供的最大風(fēng)量越大，對流就越強，散熱效果就越好，但同時結(jié)構(gòu)尺寸就越大，產(chǎn)生的噪聲也越大［10］。綜合考慮，選擇型號為EBM-4114NH3的風(fēng)機，其風(fēng)量-風(fēng)壓關(guān)系曲線如圖7所示，采用抽風(fēng)形式。

圖7 風(fēng)機的風(fēng)量-風(fēng)壓關(guān)系曲線

3.2 散熱翅片優(yōu)化

由圖4可知，機箱內(nèi)部處理模塊熱耗最大。不僅如此，該模塊PCB板上的CPU、PCH和內(nèi)存條熱流密度高，許用溫度低，是本次封裝級熱設(shè)計的薄弱點，故優(yōu)先考慮與其相關(guān)的機箱下壁散熱翅片優(yōu)化。

翅片的尺寸及分布形式會影響到氣流分布，最終影響散熱效果。減小翅片厚度可以增大換熱面積，從而增強散熱效果，但受機加工工藝和其他結(jié)構(gòu)因素的限制，取為2.5mm厚。同樣地，翅片長度根據(jù)結(jié)構(gòu)尺寸的要求，取最大值318mm。對于翅片間距b（m），可依下式［11］計算最佳值。

式中，L為翅片長度（m），v為運動粘度（m2/s），β為流體膨脹系數(shù)（1/℃），Δt為翅片與環(huán)境溫度之差（℃）。

根據(jù)結(jié)構(gòu)給出的初值b0，按此公式多次迭代后，可得最佳翅片間距為6.5mm。

對于翅片高度H（m），其與散熱量Φ（W）的關(guān)系為

顯然，當(dāng)其他條件不變時，H越大，散熱量越大，但對于tanh函數(shù)而言，當(dāng)mH增大到一定值時，增量已不再明顯，散熱效率反而降低，工程上一般取tanh（mH）=70%即可。由此可推算出H=15mm。相應(yīng)的上壁翅片高度由結(jié)構(gòu)尺寸余量給出，為6mm。

4 熱仿真

4.1 機箱三維模型的簡化

在不影響仿真結(jié)果精確性的條件下，為提高仿真求解速度，需對機箱結(jié)構(gòu)模型進行簡化。由于機箱是密封的，傳導(dǎo)在機箱中的散熱中起主要作用，因此可忽略機箱內(nèi)部的對流和輻射換熱方式，對內(nèi)部各模塊建模時只建立PCB板、芯片、壓板的模型，而忽略其中無關(guān)結(jié)構(gòu)體部件。簡化原則為

1）忽略外殼上對散熱影響不大的開孔和凹槽，即簡化為厚度統(tǒng)一的平板。

2）忽略設(shè)備內(nèi)部線纜在工作中的功耗。

3）忽略設(shè)備內(nèi)部熱密度極小的器件，如濾波器等。

4）忽略設(shè)備內(nèi)部幾何結(jié)構(gòu)較小、同時對導(dǎo)熱影響不大的器件，如磁環(huán)、走線板等。

5）將熱耗較小、同時不含熱風(fēng)險芯片的模塊整體熱耗進行均布簡化，如電源、時統(tǒng)和擴展模塊。

利用軟件提供的參數(shù)化建模方法及模型庫建立芯片級的機箱熱分析模型，如圖8所示。

圖8 機箱熱模型

4.2 邊界條件

1）環(huán)境溫度：55℃高溫。

2）設(shè)定相關(guān)材質(zhì)。

PCB板：導(dǎo)體部分材質(zhì)為純銅，絕緣部分材質(zhì)為FR4，導(dǎo)體所占體積比為10%。

導(dǎo)熱墊：芯片與壓板間導(dǎo)熱墊厚度取0.5mm，導(dǎo)熱系數(shù)為10W/m/K；電源、擴展III和處理模塊與機箱壁間導(dǎo)熱墊厚度取0.5mm，導(dǎo)熱系數(shù)為4W/m/K。

接觸熱阻：其他模塊與機箱貼合散熱面的接觸熱阻值為0.2℃/W。另外，由于機箱采用釬焊焊接，因此在散熱肋片和側(cè)板焊接處具有可靠的熱傳導(dǎo)途徑，不考慮接觸熱阻。

金屬結(jié)構(gòu)件：除處理模塊壓板采用紫銅以提高導(dǎo)熱系數(shù)外，其他金屬板材質(zhì)均為鋁合金。

3）芯片級熱參數(shù)。

對于處理模塊而言，需進行電路板級的熱分析，其上主要發(fā)熱芯片熱耗如表2所示。對應(yīng)的布局如圖9所示。

表2 處理模塊主要發(fā)熱芯片熱耗

圖9 處理模塊芯片布局

4.3 網(wǎng)格劃分

一般情況下，都可以使用系統(tǒng)默認(rèn)的網(wǎng)格劃分，即網(wǎng)格單元在x、y、z三個方向的最大尺寸為計算區(qū)域cabinet的1/20［12］。但對于某些特殊的器件，如風(fēng)扇、散熱翅片、PCB板及芯片等網(wǎng)格劃分需要特別注意。

一般情況下，將對于散熱翅片而言，翅片間的網(wǎng)格數(shù)目為3～4個，其厚度方向上數(shù)目為2個左右；基板方向的網(wǎng)格數(shù)目為5個左右。有關(guān)散熱器的進出風(fēng)口還需將其設(shè)置網(wǎng)格膨脹，其距離約10%的總長。而PCB板的網(wǎng)格劃分時，其厚度方向最少有3個網(wǎng)格且具有一定的網(wǎng)格膨脹［13］。最后還要對劃分好的網(wǎng)格進行質(zhì)量調(diào)整，來設(shè)置網(wǎng)格的尺寸比，以達到最優(yōu)。以處理模塊PCB上CPU和PCH為例，其網(wǎng)格劃分如圖10所示。

圖10 處理模塊PCB網(wǎng)格劃分

4.4 結(jié)果分析

如圖11所示，處理模塊的內(nèi)存條等芯片溫度已落在需用殼溫內(nèi)。但PCH上最高溫度為87.8℃，已超過許用殼溫85℃；同時CPU上最高溫度為88.7℃，已逼近其許用殼溫89℃。為此，需對處理模塊的壓板進行結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化設(shè)計，將溫度控制在許用范圍內(nèi)，并留有一定的安全余量。

5 優(yōu)化設(shè)計

如圖12所示，為處理模塊壓板結(jié)構(gòu)示意圖，其中A1～A4為凸臺（或凹槽）面積，d1～d4為高度（或深度），d0為壓板整體厚度，D為PCB板正面到模塊壓板外表面距離。

考慮優(yōu)化問題：

通過參數(shù)化建模，采用罰函數(shù)法［8］，可得出最優(yōu)解。此時CPU溫度為83.8℃，PCH溫度為82.9℃。可見CPU的安全裕度為5℃，滿足工程要求，如圖13所示。

圖12 壓板凸臺（或凹槽）示意圖

圖13 優(yōu)化后的溫度云圖

6 試驗驗證

6.1 試驗條件

采用相應(yīng)的紫銅壓板對處理模塊進行熱測試，該壓板散熱能力為400W，滿足測試要求。在測試中按CPU和PCH的TDP施加模擬熱源，參照圖13中凸臺溫度最高處設(shè)置各測溫點，如圖14所示。

圖14 模擬熱源和測溫點分布

6.2 安裝條件

處理模塊安裝在風(fēng)冷機箱中進行測試，該機箱機構(gòu)與所設(shè)計的計算單元風(fēng)冷機箱結(jié)構(gòu)形式類似，安裝后外形如圖15所示。

6.3 測試結(jié)果

按照上述測試條件，所得測試結(jié)果如表3所示。

圖15 測試安裝實物圖

表3 按照處理模塊測試結(jié)果

6.4 結(jié)果分析

處理模塊在CPU和PCH滿熱荷條件下，導(dǎo)冷板自身溫差為

△T=max（T3，T4）-min（T1，T2）=16.8℃

與溫差與熱仿結(jié)果18.5℃相比，誤差為10%，在可接受范圍內(nèi)。

7 結(jié)語

以某高熱密度密閉機箱為例，按流程進行了完整的熱設(shè)計。即通過平均熱流密度計算，可初步選擇冷卻方式；通過模塊熱安裝，可降低熱集中風(fēng)險；通過風(fēng)道優(yōu)化設(shè)計，可提高散熱效率；通過熱仿真，可定量得出溫度指標(biāo)；通過優(yōu)化設(shè)計，可確定模塊壓板的相應(yīng)尺寸；通過實物試驗，可以驗證本次熱設(shè)計的正確性。

在強迫風(fēng)冷條件下，將大功率模塊反裝貼壁，優(yōu)化布局，同時通過計算給出散熱翅片的最佳尺寸。當(dāng)環(huán)境溫度為55℃時，通過參數(shù)化建模，仿真優(yōu)化后可看出，機箱內(nèi)部模塊的危險芯片——CPU和PCH的最高溫度均已小于允許殼溫，且溫度余度為5℃，滿足環(huán)境要求，并提高了機箱的可靠性。本次設(shè)計將熱設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計同步考慮，相互迭代，為最終方案提供了有力的數(shù)據(jù)支撐，同時可作為其他電子設(shè)備熱設(shè)計的參考和依據(jù)。