高熱密度板卡模塊高效散熱設計研究

史亮，趙靜，王瑞豪，周穎，滿天樂

（中國電子科技集團公司第五十二研究所，杭州 311121）

引言

近年來，隨著信息化與電子技術(shù)不斷突破創(chuàng)新，電子裝備功能性能持續(xù)提升，迎來快速發(fā)展期[1]。與之相匹配的電子板卡模塊也呈現(xiàn)出標準化、模塊化和集成化的特點，其中，標準化接口的VPX高密度集成板卡由于其便于快速插拔和優(yōu)異的互換性[2]，受到越來越多的客戶選擇。伴隨功能性能的不斷提升，也推高了板卡模塊的功耗，帶來的高溫環(huán)境對板卡模塊的穩(wěn)定性造成了較大的影響，板卡模塊的散熱問題越來越突出[3]。

本文以高熱密度標準VPX板卡模塊為例，利用導熱塊、熱管和散熱冷板構(gòu)建高效散熱路徑，將主要功率器件與導熱塊貼合，再通過熱管將功率器件熱量快速傳導至散熱冷板的冷端，實現(xiàn)均衡熱量分布并高效散熱的設計目的。同時，采用FLOTHERM軟件建立熱仿真模型，通過熱仿真軟件進行熱仿真迭代分析，優(yōu)化的散熱設計方案，確定板卡模塊在典型功耗和最大功耗工況下的強迫風冷環(huán)境的風速要求，對同類型的高熱密度板卡模塊散熱設計具有較強的參考意義。

1 使用環(huán)境分析

該板卡模塊為用戶定制開發(fā)，采用標準VPX模塊結(jié)構(gòu)，根據(jù)技術(shù)協(xié)議中功能性能要求，該板卡模塊主要包括FPGA1、FPGA2、FPGA3、CPU、SRIO等大功率器件，整板典型功耗預計為145 W，最大功耗預計可達185 W，具有整體功耗高、功率器件多、器件排布密的特點，屬于典型的高熱密度板卡模塊。

板卡模塊整體安裝于用戶標準VPX機架中，機架整體采用強迫風冷散熱，由模塊的右側(cè)進風，左側(cè)出風，板卡模塊上的所有功率器件均需將熱量傳導至散熱冷板，通過流經(jīng)冷板的冷風流帶走熱量進行散熱。

2 總體結(jié)構(gòu)布局

該板卡模塊采用標準VPX模塊結(jié)構(gòu)，滿足VITA46/VITA48.1/VITA65標準，由主控板、子板1、子板2、正面散熱冷板、背面散熱冷板、左右支撐條、前擋條等部分組成。

左右支撐條安裝于板卡模塊的兩側(cè)，起支撐固定作用，正面散熱冷板組件貼覆于主控板top面，作為板卡模塊主要散熱組件的同時支撐板卡模塊整體，如圖1所示。

圖1 板卡模塊整體示意圖（正、反面）

3 高效散熱方案研究

3.1 溫度指標要求

1）工作溫度：（-40～55）℃；

2）貯存溫度：（-55～70）℃。

3.2 主要功率器件分析

由于低溫工作、低溫貯存及高溫貯存的指標重點考核所選用器件本身能力[4]，主要通過元器件選型和元器件篩選實現(xiàn)設計要求，本文不做展開分析，重點研究高溫工作條件下的主要功率器件工作情況。

板卡模塊的高溫工作條件為55 ℃，按照各模塊電路的設計方案，通過理論計算結(jié)合經(jīng)驗設計，考慮電源效率后，板卡模塊主要功率器件功耗統(tǒng)計如表1所示。

表1 板卡模塊主要功率器件統(tǒng)計表

3.3 總體設計思路

由前文3.2章節(jié)主要功率器件分析可知，板卡模塊整體功耗高、功率器件多、器件排布密，屬于典型的高熱密度板卡模塊。安裝后，通過機架強迫風冷散熱，板卡模塊上的主要功率器件均需將熱量高效傳導至散熱冷板，通過流經(jīng)冷板的冷風流帶走熱量進行散熱為主，同時通過輻射散熱為輔。。

結(jié)合本單位在此類高熱密度板卡模塊上的設計經(jīng)驗，散熱設計主要從元器件選型、元器件布局、導熱路徑設計和散熱冷板設計四個方面進行考慮。

3.4 元器件選型

綜合考慮板卡模塊性能及其使用環(huán)境要求，為較好滿足熱環(huán)境條件，元器件選型盡量遵循以下原則：

1）元器件盡量選用工業(yè)級以上標準產(chǎn)品，結(jié)溫至少85 ℃以上，部分大功率器件結(jié)溫至少100 ℃以上；

2）在滿足性能的前提下，盡量選擇低功耗器件；

3）盡量選用陶瓷或金屬封裝的元器件，減小芯片自帶封裝上的熱耗。

3.5 元器件布局

為了降低板卡模塊整體溫升，增加可靠性，主控板印制板的器件布局需要進行重點研究，對熱源進行均布處理，采用以下方案：

1）FPGA等大功耗高熱流密度器件單獨放置于印制板的特定區(qū)域且盡可能靠近模塊與機箱的導熱面[5]；

2）Flash、DDR等普通功率器件均布在印制板正反面，有效利用印制板面積；

3）電源模塊等熱敏感器件盡可能避讓大功耗器件布置。

根據(jù)以上的元器件布局思路，對主控板器件布局方案進行如下設計，如圖2所示。

圖2 主控板功率器件布局示意圖

3.6 導熱路徑設計

由于板卡模塊上的功率器件均通過散熱冷板進行散熱，因此高效的導熱路徑設計對功率器件散熱及板卡模塊整體散熱將起到關(guān)鍵作用，采用以下方案：

1）優(yōu)先選用導熱系數(shù)較高的導熱塊和導熱墊；

2）將主控板上的大功耗器件（＞2 W）的熱量傳導至模塊散熱冷板上；

3）對于FPGA、PowerPC等高功耗重要器件，使用超高導熱效率材料（如熱管），將芯片熱量傳導至散熱冷板的冷端[6]。

根據(jù)以上設計思路，對主控板主要功率器件導熱路徑進行如下設計，將主要功率器件與導熱塊貼合，再通過熱管將功率器件熱量快速傳導至散熱冷板的冷端，實現(xiàn)均衡熱量分布并高效散熱的設計目的，如圖3所示。

圖3 模塊導熱設計示意圖

3.7 散熱冷板設計

正面散熱冷板、背面散熱冷板做為板卡模塊主要散熱組件，板卡模塊上的主要功率器件將熱量傳導至散熱冷板，通過流經(jīng)冷板的冷風流帶走熱量進行散熱為主，同時通過輻射散熱為輔。

為科學計算散熱冷板所需提供的散熱翅片面積，可利用功耗計算公式（1）進行計算推導。

式中：

P—散熱冷板對應功率芯片總發(fā)熱功耗；

h—散熱冷板表面對流換熱系數(shù)；

A—散熱冷板對應總發(fā)熱功耗P所必需的散熱翅片面積；

Ths—散熱冷板溫度；

Ta—流經(jīng)散熱冷板的冷空氣溫度[7]。

上述公式（1）中，P可根據(jù)功率芯片布局和表1得出；散熱冷板與冷空氣之間的溫差ΔT（即Ths-Ta），根據(jù)實際工程應用經(jīng)驗，通常為（15～25）℃，可取典型值20 ℃；對流換熱系數(shù)h，根據(jù)強迫風冷的經(jīng)驗值估算，可設定為40 W/（m2·K）。經(jīng)計算，可得到散熱冷板所需提供的散熱翅片面積A。

散熱冷板散熱翅片設計不僅要考慮發(fā)熱損耗所必需的散熱面積，還需要結(jié)合風機位置和風道流向，合理設計翅片分布與翅片間隙，以保證風道順暢，控制合理的風阻值。

此外，為提高散熱冷板輻射散熱能力，冷板采用鋁合金2A12材料，外表面采用黑色陽極氧化處理Et·AS·CL（BK）提高材料表面黑度，表面黑度εH：≥0.87±0.02，從而實現(xiàn)最大限度利用輻射散熱的設計目的。

4 熱仿真分析

根據(jù)以上散熱設計方案，進行熱仿真驗證，設置環(huán)境溫度55 ℃，控制環(huán)境風速以模擬用戶機箱的條件，板卡模塊在典型功耗145 W工作狀態(tài)下，仿真結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 典型功耗下板卡模塊整體熱仿真云圖

圖5 典型功耗下主要功率器件核心溫度曲線圖

由仿真結(jié)果可知，當流經(jīng)板卡模塊的最小風速不小于4 m/s時，模塊上的最高溫度點出現(xiàn)在FPGA1芯片核心，約為99 ℃，CPU核心溫度約93 ℃，除FPGA、CPU芯片外其余所有芯片核心溫度均小于85 ℃，能夠保證在其結(jié)溫之下工作，滿足正常使用要求，因此，在典型功耗狀態(tài)下，當風冷環(huán)境的風速不小于4 m/s時，板卡模塊的散熱設計可滿足要求。

板卡模塊在185 W的最大功耗工作狀態(tài)下，其熱仿真結(jié)果如圖6、圖7所示。

圖6 最大功耗下板卡模塊整體熱仿真云圖

圖7 最大功耗下主要功率器件核心溫度曲線圖

由仿真結(jié)果可知，當流經(jīng)模塊的最小風速不小于7 m/s時，模塊上的最高溫度點出現(xiàn)在FPGA1芯片核心，約為99.9 ℃，CPU核心溫度約92 ℃，除FPGA、CPU芯片外其余所有芯片核心溫度均小于85 ℃，能夠保證在其結(jié)溫之下工作，滿足正常使用要求，因此，在最大功耗狀態(tài)下，當風冷環(huán)境的風速不小于7 m/s時，板卡模塊的散熱設計可滿足要求。

根據(jù)對該高熱密度板卡模塊在典型功耗和最大功耗工況下的熱仿真分析，對比用戶機箱的風冷設計指標（風速指標），可判斷本次散熱設計可滿足設計要求，確保板卡模塊穩(wěn)定工作。

5 結(jié)束語

本文以高熱密度標準VPX板卡模塊為例，利用導熱塊、熱管和散熱冷板構(gòu)建高效散熱路徑，實現(xiàn)均衡熱量分布并高效散熱的設計目的。同時，采用FLOTHERM軟件建立熱仿真模型，通過熱仿真軟件進行熱仿真迭代分析，優(yōu)化的散熱設計方案，確定板卡模塊在典型功耗和最大功耗工況下的強迫風冷環(huán)境的風速要求，可為同類型高熱密度板卡模塊散熱設計提供參考。