插件導冷技術仿真研究

洪大良　邵世東　張根烜

摘 要：本文采用導冷技術解決高溫環境下插件的散熱問題。為確定該技術的散熱能力，本文進行了仿真研究。研究結果表明，在供液溫度為30℃的時候，插件工作溫度不超過70℃，且其溫度隨著導冷板的導熱系數增加而降低，如果采用純銅作為導冷板材料，則采用該技術能夠解決單板200W以上插件散熱問題的潛力。由于該技術能夠大幅度降低插件的工作溫度并具有高可靠性等特點，因而具有在數字插件散熱中廣泛使用的潛力。

關鍵詞：插件；導冷；仿真；溫度

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.04.196

1 引言

電子工業的加速發展，對電子設備體積提出了小型化的需求，同時，電子設備的功能和復雜性日益增長，使得設備內部電子器件整體功耗及熱量不斷增加，以上原因都會導致電子器件的工作溫度有升高的趨勢[1]。有研究表明，溫度每升高10攝氏度電子器件的失效率就會提高[2]，而55%的電子設備的失效是由電子器件的溫度過高導致[3]。雷達等軍用電子設備來需要信號處理分機對相關的數據進行采集處理，數字插件是信號處理分機的重要組成部分。傳統上數字插件都是采用風冷技術進行散熱[4-6]。采用風冷技術對數字插件散熱會受到兩個方面的局限。一方面當環境溫度升高的時候，數字插件上面功率器件的工作溫度會升高，這會影響數字插件工作的可靠性， 另外一方面采用風冷技術要求在分機內部具有帶翅片翅片的冷板以及相應的風道結構，這會大幅度增加分機的外形尺寸和重量，從而增加了相應的安裝空間。近年來液冷技術被引入到數字插件的散熱系統中，有研究人員[7]將帶流道的冷板直接貼在數字插件上，數字插件的熱量直接被冷板中的冷卻液流體帶走，采用該種技術散熱效果較好，但是由于采用該種液冷技術需要將冷板和分機壁面通過冷卻液接頭連接起來，這會帶來冷卻液在分機內部泄露的風險，從而嚴重影響分機的工作安全性。考慮到以上散熱技術面臨的問題，本文采取插件導冷散熱技術解決DBF插件的散熱問題。

2 插件導冷散熱技術工作原理

圖1顯示的插件導冷散熱技術工作原理圖。發熱器件的熱量通過導熱襯墊傳遞到金屬導冷板上，然后這些熱量沿著金屬導冷板傳遞到機箱壁。機箱壁面內部有流道，傳遞到機箱壁面的熱量被流道中的冷卻液帶走。通過前文的描述可以看出，發熱器件接觸的導冷板內部沒有流道，機箱壁面上雖然有流道，但是其冷卻液的接頭在機箱壁外面，因此該散熱方案能防止機箱內部發生冷卻液泄露情況，保證機箱內部插件工作的安全性。

3 某DBF插件熱耗分布

圖2顯示的是某DBF插件發熱器件分布示意圖。表1顯示的是各器件的發熱量。從圖2和表1可以看出，搞DBF插件的發熱量約為53W，且其發熱量主要集中在發熱器件D1和D2上，這兩個器件的總熱耗約為40W，最高熱流密度約為1.5W/cm2。

4 仿真分析

為了確定插件導冷技術的散熱能力，本文對其散熱效果進行了仿真分析，下面將對仿真分析的模型和結果進行介紹。

4.1 模型介紹

圖3顯示的DBF插件導冷板3維模型。圖中紅色等各種顏色的方塊代表的是發熱器件，青色代表的是導冷板基板，藍色代表的是基板上的導冷條，導冷條和機箱壁面之間為干式接觸，所有器件的熱量都是通過導冷條傳遞到機箱壁面。發熱器件和導冷板之間裝有導熱襯墊，其當量接觸換熱系數取值為5000W/（m2·℃），機箱內冷卻液的進口溫度為30℃，當插件單板熱耗為53W的時候，考慮和接觸和傳導熱阻導冷條相對進口冷卻液進口溫升被設定為10℃，當插件熱耗增加的時候，該溫升按照相同比例放大。顯熱，由于插件的熱量是通過導冷板傳遞到機箱壁面，因此在發熱器件位置分布確定的情況下導冷板的材料、厚度以插件的熱量都將對插件上芯片的工作溫度有重要的影響。

4.2 仿真結果

圖4顯示的是插件熱耗為53W、導冷板材料為6061鋁合金、導冷板厚度為4mm（不含凸臺高度）的時候插件熱仿真結果溫度云圖。從圖中可以看出插件中溫度最高的芯片為D1，其最高溫度為63.9℃，其他所有芯片的溫度均低于此值，顯然滿足指標要求。圖5和圖6分別顯示的是當導冷板材料為鋁和銅的時候插件熱仿真結果溫度云圖，從圖中可以看出導冷板材料為鋁的時候插件的最高溫度為57.1℃，導冷板材料為銅的時候插件的最高溫度為63.9℃，這是因為銅和鋁的導熱系數都遠較6061鋁合金大，采用這兩種材料作為導冷板材料能夠大幅度降低沿程的傳熱熱阻，從而使得插件的溫度降低。

圖5顯示的是分別采用鋁合金6061、鋁以及銅作為導冷板材料的時候，插件芯片最高溫度隨著插件熱耗變化的規律。需要注意的是，當插件熱耗發生改變的時候，本文假定各器件的熱耗按照相同的比例發生變化。從圖中可以看出隨著插件熱耗的增加，插件芯片最高溫度不斷增加，當使用鋁合金6061作為導冷板材料的時候當插件的熱耗不超過80W的時候，插件的最高溫度滿足溫度指標，當使用鋁和銅作為導冷板材料的時候，插件都能在熱耗不大于110W的情況下正常工作，且用銅作為導冷板材料的時候插件的芯片的最高溫度更低。

考慮到現有標準機箱的尺寸，導冷板的厚度只要不大于8mm就不影響其安裝，因此本溫在這里分析了導冷板厚度對DBF插件芯片溫度的影響。圖6顯示的是在插件熱耗為150W，導冷板材料為銅的時候，DBF插件芯片最高溫度隨導冷板厚度變化的規律。從文中可以看出隨著導冷板厚度的增加插件芯片的最高溫度不斷降低，這是因為隨著導冷板厚度的增加，芯片熱量傳遞到導冷條過程的導熱熱阻減少。

5 結論

本文采用插件導冷散熱技術解決DBF插件的散熱問題，并對其散熱能力和特點進行了詳細的分析和討論，主要結論如下：

（1）插件導冷散熱技術通過金屬導冷板將插件熱量傳遞到液冷機箱，該技術具有結構簡單、安全可靠等特點，能長時間高效穩定工作。

（2）插件導冷散熱技術散熱能力的大小取決于導冷條和機箱壁面的接觸熱阻、導冷板的材料、導冷板的厚度以及發熱器件在插件上的排布等情況。

（3）如果導冷板厚度選擇4.5mm，則采用6061鋁合金作為導冷板材料能夠解決單板80W的DBF插件的散熱問題，采用鋁和銅作為導冷板材料都能解決單板110W的DBF插件的散熱問題，且采用導熱系數更高的銅作為導冷板材料更高。

參考文獻：

[1]余建祖.電子設備熱設計及分析技術[M].北京：高等教育出版社，2001.

[2]郭磊.電子器件散熱及冷卻的發展現狀研究[J].低溫與超導，2014，42（02）：62-66.

[3]Mark Spencer Cooper，Investigation of Arrhenius acceleration factor for integrated circuit early life failure region with several failure mechanisms， IEEE Transactions on components and packaging technologies， Vol. 28， No. 3， September 2005.

[4]潘美娜.小型通信機箱的熱分析及優化設計[D].上海交通大學，2013.

[5]宋敏，程翔.某型號雷達室外密封插箱研制綜述[J].電子機械工程，2008，24（03）：47-49.

[6]陳登瑞，姜篤山，趙文虎.某高熱密度密閉機箱設計[J].電子機械工程，2013，29（03）：5-8.

[7]馮靜，顧林衛，吳學群，俞華.一種液電一體液冷機箱[P].實用新型專利，ZL201420005030.7.

作者簡介：洪大良（1989-），男，安徽人，博士，研究方向：制冷及電子設備熱設計。