某高功率導(dǎo)冷模塊散熱設(shè)計及測試

陽丁，杜林秀，張永成

（中國電子科技集團公司第二十九研究所，四川 成都 610036）

1 前言

隨著電子設(shè)備集成度提高，芯片的熱流密度逐年提升，導(dǎo)致芯片的散熱問題日益嚴(yán)重。電子設(shè)備中典型功能模塊的散熱方式由風(fēng)冷散熱、導(dǎo)冷散熱向模塊直接通液散熱方向發(fā)展，其中導(dǎo)冷散熱能很好地覆蓋芯片熱功耗在90～220W的散熱需求。由于導(dǎo)冷散熱模塊的三防性能良好，又能避免通液散熱帶來的漏液風(fēng)險，導(dǎo)冷散熱在模塊散熱領(lǐng)域得到大量應(yīng)用。

典型導(dǎo)冷模塊的結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由模塊盒體、印制電路、蓋板及鎖緊起拔裝置等組成。印制電路上主要功率芯片通過導(dǎo)熱絕緣墊與模塊盒體的散熱凸臺接觸，芯片的熱量傳導(dǎo)到模塊盒體底板上，模塊盒體再將熱量傳導(dǎo)到盒體兩側(cè)的鎖緊邊，最終實現(xiàn)對外散熱。

圖1 典型導(dǎo)冷模塊

導(dǎo)冷模塊盒體的典型材料為防銹鋁5A06-T4，材料導(dǎo)熱系數(shù)為150W/(m.℃)，當(dāng)有高功率器件需要散熱時，導(dǎo)熱潛能不足。近年來，新起的以相變傳熱技術(shù)為基礎(chǔ)的均熱板技術(shù)能有效提高模塊盒體的導(dǎo)熱性能。

均熱板內(nèi)部腔體充注有液態(tài)相變工質(zhì)，其在熱源位置吸收熱量后，迅速蒸發(fā)擴散至整個腔體，將熱量傳導(dǎo)至冷端，隨后冷凝為液態(tài)后通過微通道回流。均熱板相變工質(zhì)從蒸發(fā)到冷凝的過程在真空腔體內(nèi)快速循環(huán)，實現(xiàn)熱量的快速傳導(dǎo)。通常以均熱板技術(shù)為基礎(chǔ)制造的模塊盒體，在平行于底面的二維平面上導(dǎo)熱系數(shù)能達到2000W/(m.℃)，垂直于均熱板方向上導(dǎo)熱系數(shù)約100W/(m.℃)。

本文涉及的高功率導(dǎo)冷模塊應(yīng)用了前述均熱板技術(shù)。該模塊內(nèi)裝印制電路如圖2所示，其中4塊功耗35W的高功率芯片的殼溫需要控制到65℃內(nèi)才能滿足電性能要求。模塊總熱耗約為205W，在模塊導(dǎo)熱傳熱熱耗區(qū)間90～220W，但處于上限，需經(jīng)過嚴(yán)格的熱學(xué)計算、熱仿真及測試后才能進行工程應(yīng)用。該高功率導(dǎo)冷模塊冷端假設(shè)為恒壁溫度42℃，冷端橫臂溫度寬度為7mm、長度為167mm，均熱板厚度為3.3mm。

圖2 印制電路重要器件熱耗

2 理論散熱計算

由傅里葉導(dǎo)熱定理可知：垂直導(dǎo)過等溫的熱流密度正比于該處的溫度梯度，方向與溫度梯度方向相反。導(dǎo)熱方程如式1所示：

式中，q為為熱流密度，單位J/m2；λ為為材料導(dǎo)熱系數(shù)，單位W/（m.℃）；T為為溫度場，單位℃。

在x方向上其導(dǎo)熱方程為：

式中，qx與λ均為定值，芯片對應(yīng)位置中心面上溫度假設(shè)為T0，冷端溫度為TL,由此可知溫度差ΔT計算公式如下：

式中，L為為熱傳導(dǎo)路徑長度，單位m；A為為導(dǎo)熱截面積，單位m2；Q為芯片熱量，單位W。

為簡化計算，芯片與盒體之間的接觸熱阻通過設(shè)置導(dǎo)熱絕緣墊厚度與導(dǎo)熱系數(shù)模擬。假定芯片由于導(dǎo)熱絕緣墊產(chǎn)生的溫升為ΔT1，均熱板z方向的導(dǎo)熱溫升為ΔT2，均熱板在x方向上的導(dǎo)熱溫升為ΔT3.當(dāng)導(dǎo)熱達到熱平衡后，可知芯片殼體的溫度為：

T=T0+ΔT1+ΔT2+ΔT3（5）

根據(jù)式（4）、（5）和圖5，可計算得到芯片殼體溫度T=60.1℃，滿足殼體溫度小于65℃要求，還可計算得到：當(dāng)均熱板x向?qū)嵯禂?shù)為1000W/（m.℃）時，芯片殼體溫度72.9℃，不滿足殼體溫度小于65℃要求；當(dāng)均熱板x向?qū)嵯禂?shù)為150W/（m.℃）時（等同于均熱板失效時），芯片殼體溫度217.1℃，不滿足殼體溫度小于65℃要求。

根據(jù)式（4）定量理論計算可知，均熱板的導(dǎo)熱性能受導(dǎo)熱系數(shù)和板厚參數(shù)影響較大，即提高均熱板導(dǎo)熱系數(shù)或加厚均熱板均可以提高均熱板導(dǎo)熱性能。

3 散熱仿真分析

本文采用熱學(xué)仿真軟件FloEFD對均熱板進行導(dǎo)熱仿真計算，熱源如圖2所示，模塊冷端假設(shè)為恒壁溫度42℃，建立仿真模型進行數(shù)值計算。

散熱仿真結(jié)果如圖3所示，芯片處溫度為56.5℃，與理論計算結(jié)果60.1℃近似，滿足殼體溫度小于65℃要求。

圖3 均熱板溫度分布圖

假設(shè)將高功率芯片功耗提升到50W，在與前述邊界條件一致情況下，熱仿真計算結(jié)果如圖4所示，芯片殼體溫度為58.7℃，相較功率芯片35W時計算結(jié)果變化較小。假設(shè)將高功率芯片功耗提升到50W，且將均熱板x，y向?qū)嵯禂?shù)分別變?yōu)?000W/（m.℃）,150W/（m.℃）兩種情況下，芯片殼體溫度分別為65.9℃，112.7℃，不滿足殼體溫度小于65℃要求。

圖4 均熱板溫度分布圖

上述仿真結(jié)果表明，高功率導(dǎo)冷模塊散熱的關(guān)鍵在于提高均熱板的導(dǎo)熱系數(shù)。

4 散熱實驗驗證

在圖2所示印制電路中4塊35W芯片附近布置溫度測試點，高功率導(dǎo)冷模塊均熱板專用熱測試工裝如圖5所示，熱臺導(dǎo)熱邊實測溫度約為44℃，均熱板熱測試結(jié)果見表1，抽樣測試結(jié)果表明，此批次均熱板性能滿足要求。

圖5 均熱板熱測試工裝

表1 均熱板抽樣溫度測試結(jié)果

5 結(jié)語

高功率導(dǎo)冷模塊采用均熱板技術(shù)實現(xiàn)散熱，其中均熱板可通過理論初步設(shè)計、仿真、實物測試、故障暴露及分析、優(yōu)化、再驗證和生產(chǎn)抽檢等步驟實現(xiàn)。均熱板作為關(guān)鍵部件，必須重點關(guān)注，并進行多件試制和實驗。本文提到的利用簡化傳熱模型估算均熱板散熱能力的方法便于工程設(shè)計人員在工程設(shè)計初期對均熱板散熱能力進行評估。