一種嵌入式高效傳導(dǎo)散熱模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

孫其英

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十研究所，成都 610036）

引言

現(xiàn)場(chǎng)可更換模塊（簡(jiǎn)稱(chēng)LRM，Line Replaceable Module）是航空機(jī)載產(chǎn)品基本的獨(dú)立功能單元[1]。隨著模塊內(nèi)部芯片功能高度集成和體積不斷小型化的設(shè)計(jì)趨勢(shì)，高熱流密度的芯片在逐漸增多。高溫會(huì)導(dǎo)致電子元器件失效，進(jìn)而引起整個(gè)模塊的失效[2]。為避免模塊因散熱問(wèn)題而引起的失效風(fēng)險(xiǎn)，提供高熱流密度芯片的散熱效率已成為模塊熱控設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

模塊熱控設(shè)計(jì)的基本任務(wù)是在熱源和熱沉之間提供一條低熱阻的通道，保證熱量迅速傳遞出去，以便滿(mǎn)足可靠性要求[3]。根據(jù)散熱方式不同，模塊分為三類(lèi)：傳導(dǎo)冷卻模塊，穿通液冷模塊和強(qiáng)迫風(fēng)冷模塊。傳導(dǎo)冷卻模塊主要靠?jī)蓚?cè)的肋條將內(nèi)部熱量傳導(dǎo)到機(jī)架冷板，具體傳熱路徑如圖1所示。模塊楔形鎖緊機(jī)構(gòu)的綜合熱阻由模塊的對(duì)外安裝接口要求決定，當(dāng)芯片和導(dǎo)熱襯墊選定后，結(jié)殼熱阻和導(dǎo)熱襯墊傳導(dǎo)熱阻已確定。導(dǎo)熱襯墊的接觸熱阻則可以通過(guò)調(diào)整發(fā)熱芯片與結(jié)構(gòu)件對(duì)應(yīng)安裝面的間隙來(lái)優(yōu)化。因此，提高發(fā)熱芯片到機(jī)架冷板的傳熱效率應(yīng)考慮降低模塊結(jié)構(gòu)件自身的傳導(dǎo)熱阻。

圖1 傳導(dǎo)冷卻模塊一般傳熱路徑

銅具有良好的導(dǎo)熱性，模塊內(nèi)部通過(guò)局部嵌銅設(shè)計(jì)，使芯片熱量直接由銅塊傳導(dǎo)到機(jī)架冷板，可以降低發(fā)熱芯片在模塊內(nèi)部的傳導(dǎo)熱阻。同時(shí)銅具有良好的穩(wěn)定性，可以滿(mǎn)足模塊設(shè)計(jì)的可靠性和批次一致性要求。

1 模塊熱設(shè)計(jì)方案

1.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

某LRM模塊總熱耗70 W，安裝在一液冷機(jī)架上，根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)采用傳導(dǎo)冷卻能夠滿(mǎn)足該模塊的散熱需求。但該模塊內(nèi)部存在一個(gè)高熱流密度的發(fā)熱芯片，該芯片熱耗35 W，尺寸37 mm×37 mm，局部熱流密度為2.6 w/cm2。根據(jù)導(dǎo)熱基本定律公式（1）[4]，單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)一定面積的傳熱量（Φ）跟材料的導(dǎo)熱系數(shù)（k）成正比。普通模塊使用的防銹鋁5A06導(dǎo)熱系數(shù)為117 W/（m.k），導(dǎo)熱性能較好的鋁合金6063導(dǎo)熱系數(shù)為201 W/（m.k），純銅導(dǎo)熱系數(shù)401 W/（m.k）。由此可見(jiàn)，相同熱量通過(guò)相同截面積（A）的導(dǎo)熱塊，采用銅塊可比鋁合金理論上導(dǎo)熱效率提升近一倍。

該模塊的結(jié)構(gòu)形式如圖2所示，發(fā)熱芯片位于模塊中冷板中間偏右，冷板左側(cè)因需要給子卡連接器讓位，開(kāi)了兩個(gè)較大的矩形腔，基本切斷了發(fā)熱芯片到模塊左側(cè)肋條的傳熱路徑，芯片熱量主要由模塊右側(cè)肋條導(dǎo)出。因此，在進(jìn)行模塊的熱設(shè)計(jì)時(shí)，主要考慮降低發(fā)熱芯片到模塊右側(cè)肋條的傳導(dǎo)熱阻。

圖2 模塊冷板結(jié)構(gòu)示意

1.2 仿真分析

為驗(yàn)證嵌銅冷板設(shè)計(jì)能否滿(mǎn)足模塊處于最大功率工作狀態(tài)和最高環(huán)境溫度時(shí)可以正常工作，同時(shí)跟鋁冷板傳熱效果進(jìn)行對(duì)比，分別對(duì)鋁冷板和銅冷板模塊設(shè)計(jì)進(jìn)行了熱仿真分析。仿真計(jì)算條件：環(huán)境溫度+65 ℃，機(jī)架冷板邊界溫度為+52 ℃，模塊楔形鎖緊機(jī)構(gòu)的綜合接觸熱阻0.3 ℃/W。

根據(jù)鋁冷板模塊仿真計(jì)算結(jié)果（圖3）得出，該發(fā)熱芯片（D9）高溫工作時(shí)最高殼溫Tc=119 ℃，芯片結(jié)殼熱阻Rjc=0.34 ℃/W，根據(jù)器件結(jié)溫計(jì)算公式：Tj=Tc+P*Rjc[5]，得出該芯片高溫工作時(shí)結(jié)溫Tj=119+35*0.34=130.9（℃），已超出芯片115 ℃最高結(jié)溫工作要求。

圖3 鋁冷板熱仿真圖片

根據(jù)銅冷板模塊仿真計(jì)算結(jié)果（圖4）得出，該發(fā)熱芯片（D9）高溫工作時(shí)最高殼溫Tc=96.5 ℃，芯片結(jié)殼熱阻Rjc=0.34 ℃/W，計(jì)算出該芯片高溫工作時(shí)結(jié)溫Tj=96.5+35*0.34=108.4（℃），滿(mǎn)足芯片115 ℃最高結(jié)溫工作要求。

圖4 銅冷板熱仿真圖片

2 模塊嵌銅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

模塊中增加銅冷板設(shè)計(jì)可以通過(guò)焊接或鑄造的方式實(shí)現(xiàn)。由于發(fā)熱芯片跟肋條散熱接觸面分別位于模塊冷板兩側(cè)，受焊接安裝形式的限制，如圖5所示，銅塊只能安裝在模塊肋條的鎖緊條安裝面，不能直接跟機(jī)架冷板接觸，從而使發(fā)熱芯片傳熱路徑中增加了銅塊到模塊肋條的接觸熱阻和鋁肋條自身的傳導(dǎo)熱阻，焊接銅冷板傳熱路徑如圖6所示。

圖5 焊接銅冷板結(jié)構(gòu)示意

圖6 焊接銅冷板傳熱路徑

基于石膏熔模鑄造的加工工藝特點(diǎn)，銅塊的構(gòu)型不受安裝界面的限制，考慮通過(guò)鑄造的形式實(shí)現(xiàn)模塊嵌銅設(shè)計(jì)。預(yù)先將設(shè)計(jì)好的導(dǎo)熱銅塊埋進(jìn)模塊盒體的鑄造模具，鑄造出盒體的粗毛坯，然后根據(jù)盒體尺寸要求進(jìn)行精加工，以確保銅塊肋條與盒體肋條的共面精度。在銅塊肋條端和模塊肋條處設(shè)計(jì)一共用安裝孔，當(dāng)鎖緊條鎖緊時(shí)，銅塊肋條即可跟機(jī)架冷板插槽良好接觸。為提高模塊內(nèi)部導(dǎo)熱銅塊嵌件的鑄造強(qiáng)度，導(dǎo)熱銅塊周?chē)O(shè)計(jì)了多個(gè)矩形凸臺(tái)，增加了導(dǎo)熱銅塊和鋁合金基體的接觸面積，導(dǎo)熱銅塊構(gòu)型如圖7所示。銅塊可以將芯片熱量直接傳導(dǎo)到機(jī)架冷板，充分利用了銅塊高傳熱性能，最大程度地降低了發(fā)熱芯片到機(jī)架冷板的傳導(dǎo)熱阻，鑄造銅冷板傳熱路徑如圖8所示。

圖7 導(dǎo)熱銅塊示意

圖8 鑄造銅冷板傳熱路徑

為實(shí)現(xiàn)導(dǎo)熱銅塊嵌件和肋條的一體化設(shè)計(jì)，導(dǎo)熱銅塊位置的模塊側(cè)壁部分都由銅塊嵌件一體成型，在實(shí)際使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，由于模塊側(cè)壁僅1.5 mm厚，銅塊側(cè)壁跟模塊鋁合金基體側(cè)壁的接觸面積過(guò)窄，容易造成欠鑄。為進(jìn)一步優(yōu)化導(dǎo)熱銅塊嵌件構(gòu)型，取消了銅塊側(cè)壁設(shè)計(jì)，該部分側(cè)壁直接用鋁合金鑄造成型，如圖9所示，解決了側(cè)壁欠鑄問(wèn)題，同時(shí)由于側(cè)壁是由鋁合金鑄造一體成型，提高了模塊鑄造的可靠性。

圖9 局部鑄銅盒體示意

熔模鑄造首先是在模具中灌注金屬熔液，等金屬熔液冷卻后，即可鑄造出所需形狀的零件[6]。由于在灌注過(guò)程中，金屬是熔融狀態(tài)，銅塊嵌件已提前放入鑄造模具，如果銅塊不采取定位措施，在金屬熔液灌注過(guò)程中，銅塊嵌件很容易發(fā)生偏移。因此銅塊嵌件設(shè)計(jì)了兩處定位柱，如圖10所示，使銅塊可以準(zhǔn)確固定在模具的對(duì)應(yīng)位置，防止鑄造過(guò)程中的位置偏移。

圖10 導(dǎo)熱銅塊定位柱示意

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證嵌銅冷板的散熱效果，對(duì)鋁合金冷板和銅冷板模塊在相同條件下進(jìn)行試驗(yàn)比測(cè)。模塊測(cè)試點(diǎn)分布如圖11所示。

圖11 模塊測(cè)試點(diǎn)分布

在相同室溫（26 ℃）和通液條件下（20 ℃，16 L/min）測(cè)得表 1的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。從測(cè)試結(jié)果看出，在常溫工作環(huán)境溫度下，當(dāng)模塊達(dá)到溫度穩(wěn)定時(shí)，鋁合金冷板的發(fā)熱芯片殼溫（表 1中A6溫度）為84.3 ℃，銅合金冷板的發(fā)熱芯片殼溫為60.8 ℃，銅冷板比鋁合金冷板芯片殼溫降低了23.5 ℃，溫升從鋁合金的45.3 ℃降低到22.8 ℃，降低了近50 %。由模塊芯片溫度（表 1中A6）和右側(cè)肋條溫度（表 1中A2），取右側(cè)肋條傳熱量為Φ=30 W，計(jì)算冷板熱阻R=（TA6-TA1）/W，可得鋁合金冷板熱阻R=（84.3-28.3）/30=1.86（℃/W），銅冷板熱阻R=（60.8-29.6）/30=1.04（℃/W），銅冷板熱阻較鋁合金熱阻降低了近50 %。同時(shí)經(jīng)工程驗(yàn)證，嵌銅冷板模塊已順利通過(guò)高溫工作和高溫存儲(chǔ)試驗(yàn)，并已在工程項(xiàng)目中正常使用，嵌銅冷板設(shè)計(jì)可以滿(mǎn)足模塊熱設(shè)計(jì)要求。

表1 銅板冷板溫度檢測(cè)

4 結(jié)束語(yǔ)

嵌入式銅冷板設(shè)計(jì)最大程度地簡(jiǎn)化了模塊內(nèi)部發(fā)熱芯片的傳熱路徑，提高了傳熱效率。同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)熱銅塊和鋁合金基體的緊密貼合，進(jìn)一步減少了中間傳導(dǎo)熱阻，為高熱芯片提供了一條低熱阻通道。銅塊鑄造具有較高的穩(wěn)定性和批次一致性，保證了模塊熱設(shè)計(jì)的可靠性，該模塊散熱問(wèn)題的有效解決保證了系統(tǒng)性能的穩(wěn)定運(yùn)行。量產(chǎn)后，鑄造模具具有重復(fù)使用的特性，可以降低加工周期和成本，經(jīng)驗(yàn)證該嵌入式冷板設(shè)計(jì)適用于傳導(dǎo)冷卻模塊的工程應(yīng)用。