一種基于VITA標(biāo)準(zhǔn)的穿通液冷模塊的設(shè)計

陳旭

（中國電子科技集團(tuán)公司第十研究所，成都 610036）

引言

VITA標(biāo)準(zhǔn)模塊最早是由以Motorola公司為首的幾家公司于1981年推出的一種支持多處理器計算機(jī)系統(tǒng)的通用模塊背板架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)。它結(jié)合了Motorola的 VERSA 總線和歐卡模塊機(jī)械規(guī)范, 定義了標(biāo)準(zhǔn)的印制電路板尺寸, 并帶有標(biāo)準(zhǔn)的連接器接口用于連接PWB和背板, 每塊VME背板根據(jù)需要可有2～21個插槽, 每個模塊通過插槽與背板連接, 模塊之間的數(shù)據(jù)交換通過背板完成[1]。

隨著功能模塊的耗散功率越來越大，模塊的功耗由幾十瓦到上百瓦，強(qiáng)迫風(fēng)冷機(jī)架越來越不能解決機(jī)架中功能模塊的散熱問題。而更大的功耗，則往往需要采用液冷機(jī)架才能滿足模塊的散熱。機(jī)載綜合液冷機(jī)架將各種功能模塊高度集成，將其結(jié)構(gòu)形式規(guī)范化，統(tǒng)一機(jī)械安裝接口、電氣結(jié)構(gòu)和液冷接口，這樣對實現(xiàn)機(jī)載設(shè)備模塊的三化具有極其重要的意義。

1 設(shè)計要求

模塊設(shè)計要求主要包括：

1）模塊滿足VITA標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)形式；

2）模塊在正常供液條件下（穩(wěn)態(tài)），能持續(xù)正常工作；

3）模塊在應(yīng)急工作狀態(tài)下（斷液），能持續(xù)工作15 min以上。

2 模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 模塊外形尺寸

基于Vita標(biāo)準(zhǔn)的模塊基本尺寸為：160 mm（長）×233.4 mm（寬）×X mm（厚），模塊的厚度通?？梢允?0 mm、24 mm、30 mm等規(guī)格，如圖1所示為一個30 mm厚的模塊。

2.2 模塊組成

基于VITA標(biāo)準(zhǔn)的穿通液冷模塊的組成如圖2所示，主要包括起拔器、鎖緊條、對外連接器、流體連接器、印制板和模塊結(jié)構(gòu)件。

3 散熱設(shè)計

模塊所在的機(jī)架中，幾個主要發(fā)熱模塊功耗達(dá)到100 W甚至150 W，散熱量巨大，根據(jù)過往的工程經(jīng)驗，此類模塊需采用穿通液冷方式進(jìn)行散熱[2]。機(jī)架將來自液冷循環(huán)系統(tǒng)的冷卻工作介質(zhì)直接通入LRM模塊冷板，模塊內(nèi)部元器件產(chǎn)生的熱量由模塊冷板通過傳導(dǎo)方式實現(xiàn)熱交換，由冷卻工作介質(zhì)將熱量帶走，如圖3所示。

模塊內(nèi)部傳熱結(jié)構(gòu)基本相同。對于多數(shù)芯片，模塊采用冷板上加凸臺的導(dǎo)熱方式，縮短熱路通徑，同時降低擴(kuò)散熱阻，使得多數(shù)熱量從冷板路徑散出，減少傳熱溫差，降低芯片溫度。

在使用凸臺導(dǎo)熱時，突臺頂部均設(shè)置了0.5～2 mm不等的導(dǎo)熱襯墊，以消除接觸間隙，減少接觸熱阻。其在30～40 %左右的壓縮量下，接觸熱阻控制在1e-4～5e-4（ m2.K/W）左右。

4 熱仿真

4.1 仿真條件

機(jī)架采用冷卻液為65號防凍冷卻液，環(huán)境溫度考慮最高工作溫度70 ℃，冷卻液入口溫度為40 ℃，工作壓力1.2 MPa，耐壓要求為1.8 MPa。為保證機(jī)架內(nèi)模塊流量匹配，對模塊的流阻要求如下：

常溫（20±5）℃流量為1 LPM（升/分鐘）時，流阻范圍1.5 bar±30 %。(包含液冷接頭)，模塊供液溫度40 ℃，流量 0.3 L/min。

4.2 某典型信號模塊熱仿真

以某典型信號模塊為例，其基本穿通液冷通道如圖4所示。

仿真計算時，為了模擬實際狀況，將該模塊和其左右兩個模塊一起進(jìn)行計算，并添加上下機(jī)架和前后面板，模塊間距3 mm，如圖5所示。

信號模塊的各主要器件熱物理參數(shù)如表1所示，信號模塊主要包含載板和子卡，載板和子卡上的其他發(fā)熱器件熱物性參數(shù)在此不列出，熱詳細(xì)耗分布情況如圖6所示，（總熱耗為117 W）。信號處理模塊一側(cè)為數(shù)據(jù)模塊，另一側(cè)為主控模塊。冷卻液流量：0.3 L/min。

圖1 模塊外形尺寸

圖2 模塊組成

圖3 冷卻液循環(huán)路徑圖

圖4 模塊液冷通道示意圖

載板：數(shù)量1張，熱功耗為68 W，圖6左所示；子卡：數(shù)量2張，單板熱功耗為24.5 W，總功耗為49 W，如圖6右所示。

為了得到斷液15 min時的結(jié)果，將模塊分為兩個部分進(jìn)行仿真：第一，在有液冷的條件下進(jìn)行穩(wěn)態(tài)仿真（使用65#防凍液進(jìn)行冷卻，流量：0.3 L/min，供液溫度40 ℃）；第二，載板上的芯片3，芯片4關(guān)閉，其余器件工作正常，相鄰的數(shù)據(jù)模塊熱耗變?yōu)?0 W，主控模塊熱耗變?yōu)?0 W。并保持環(huán)境溫度等邊界條件不變，冷卻液停止流動，并以第一步的穩(wěn)態(tài)仿真結(jié)果作為初始條件進(jìn)行物理時長為15 min的瞬態(tài)仿真。

4.2.1 穩(wěn)態(tài)仿真結(jié)果

穩(wěn)態(tài)仿真結(jié)果如圖7所示。通過仿真結(jié)果并計算可以看到，所有已知熱物理參數(shù)的器件其計算結(jié)溫都在許用值以內(nèi)。

TJ（結(jié)溫）=Tc（殼溫）+Q（熱耗）×θJc（結(jié)殼熱阻）[3]

圖5 整體仿真模型

表1 各主要器件熱物理參數(shù)

圖6 載板和子卡熱耗分布

圖7 穩(wěn)態(tài)仿真結(jié)果

4.2.2瞬態(tài)仿真結(jié)果

900 s時刻的溫度云圖如圖8所示。

各主要器件殼溫隨時間變化曲線如圖9所示。

表2 各器件結(jié)溫分析

圖8 900 s時刻主要器件溫度云圖

圖9 各主要器件殼溫隨時間變化曲線

900 s時刻的結(jié)溫分析如表3所示。主要發(fā)熱器件芯片1、芯片2、芯片3和芯片4等均低于許用溫度，但部分器件（如子卡上的芯片3）溫度非常接近于許用值，但有一定風(fēng)險。

4.3 仿真結(jié)論

該模塊在已知的器件資料范圍內(nèi)，考慮最高環(huán)境工作溫度70 ℃，穩(wěn)態(tài)工作、供液溫度40 ℃時器件結(jié)溫的計算結(jié)果均在其許用值以內(nèi)，滿足熱設(shè)計的要求。

而在已知的器件資料范圍內(nèi)，900 s時器件結(jié)溫的計算結(jié)果均在其許用值以內(nèi)，但是部分器件的計算值非常接近于許用值，有一定的超溫風(fēng)險。

5 結(jié)語

全穿通式液冷冷卻的方式，可以有效解決高熱耗模塊的散熱問題，本文通過設(shè)計和仿真，對VITA標(biāo)準(zhǔn)的高熱耗模塊的散熱進(jìn)行了驗證。但機(jī)架中每一個模塊的冷卻液流量如何精確分配，以及穿通液冷的機(jī)架和模塊的可靠性問題等，均有待進(jìn)一步研究提升。

表3 900 s時刻結(jié)溫分析