復(fù)合相變熱沉在電子設(shè)備熱管理中的應(yīng)用

林佳，江興旺，譚繼勇，周振凱

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復(fù)合相變熱沉在電子設(shè)備熱管理中的應(yīng)用

林佳，江興旺，譚繼勇，周振凱

（中國電子科技集團公司第二十九研究所，成都610000）

某些特殊電子設(shè)備的短時高功耗運行往往會引起急劇溫升，進而導(dǎo)致設(shè)備失效。文章采用膨脹石墨/高碳醇復(fù)合相變材料（PCM）作為熱沉，針對某高功耗模塊進行了散熱仿真，并與傳統(tǒng)鋁熱沉進行了對比，結(jié)果表明無主動散熱平臺下PCM熱沉顯著優(yōu)于鋁熱沉。同工況溫箱實驗進一步驗證相變熱沉散熱特性，并與仿真結(jié)果進行對比，結(jié)果表明實驗結(jié)果與仿真結(jié)果具有一致的溫度變化趨勢，但由于相變溫度范圍的差異導(dǎo)致不同時間段溫升速率不同。分析了二者的差異及原因，為嚴酷條件下應(yīng)用相變材料進行熱設(shè)計和熱管理提供參考。

復(fù)合相變材料；熱管理；電子設(shè)備；熱沉；仿真分析；實驗研究

0 引言

隨著電子及通信技術(shù)的飛速發(fā)展，電子設(shè)備及元器件微小型化和高度集成化逐步成為主流發(fā)展趨勢，而微系統(tǒng)形態(tài)下實現(xiàn)相同甚至更強功能必然導(dǎo)致電子設(shè)備和元器件功率密度急劇增加。如果各種發(fā)熱功能元器件的發(fā)熱量不能及時有效地釋放，熱量的積聚會造成元器件的溫度超過其承受極限，從而降低其可靠性，甚至失效[1]。文獻[2]表明，電子設(shè)備的失效有55%是由溫度超過限定值引起的。在某些嚴酷環(huán)境下，雖然電子設(shè)備只需要在幾十秒到幾分鐘內(nèi)短時工作，但往往其芯片熱流密度極高，同時平臺無法提供主動冷卻散熱條件，這對設(shè)備的溫控提出了更高要求[3]。相變材料（phase change material, PCM）在特定相變點發(fā)生相變過程中具有吸收/釋放大量潛熱同時保持等溫或近似等溫等優(yōu)點，已逐步在航天器熱控領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[4-6]，因而也是無主動散熱條件下實現(xiàn)高熱流密度電子設(shè)備熱控的一種可行方案。

PCM按相變方式可分為固-固型、固-液型、固-氣型和液-氣型4類。固-氣型和液-氣型相變潛熱很高，但相應(yīng)會發(fā)生較大的體積和壓力變化，對電子設(shè)備要求很高；固-固型相變體積變化最小，但其相變潛熱小，且可選材料品種少，較大程度上限制了其應(yīng)用[7]；對于無主動散熱環(huán)境平臺而言，固-液型相變材料體積變化較小，相變潛熱較大，屬于比較合理的選擇，但相變產(chǎn)生流態(tài)液體對封裝可靠性要求較高。

本文針對高度集成的某電子設(shè)備模塊，安裝固-液型膨脹石墨/高碳醇復(fù)合PCM熱沉，比較了其與鋁熱沉的瞬態(tài)散熱性能差異，并通過實驗對該復(fù)合PCM熱沉的散熱效果進行了驗證和比較，為無主動散熱環(huán)境平臺應(yīng)用PCM進行瞬時溫控設(shè)計提供參考。

1 結(jié)構(gòu)布局

1.1 模型結(jié)構(gòu)布局

圖1為本文所采用模型結(jié)構(gòu)組成示意圖，分為模塊本體和相變熱沉2部分，其中模塊本體包含盒體、印制電路板（PCB）、功率器件及相應(yīng)連接器；相變熱沉為封裝結(jié)構(gòu)，即在熱沉盒體中填充復(fù)合PCM。同時，本文目的是驗證復(fù)合PCM的散熱效果，因此對模塊本體中無關(guān)器件和結(jié)構(gòu)進行簡化處理：模塊本體僅保留主要功率器件，并將功率器件緊貼復(fù)合PCM熱沉對應(yīng)凸臺。

圖1 模型結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 模塊熱耗分布

模塊熱耗來自PCB上的各功率器件，計算模型中設(shè)置總熱耗約為57W，功率器件熱耗分布及對應(yīng)熱沉位置如圖2所示，表1為各功率器件參數(shù)。

圖2 芯片熱源分布

表1 芯片參數(shù)

2 熱控方法

2.1 相變材料選擇

由于平臺無法提供主動散熱條件，但工作時間不長，所以一般都采用熱沉散熱。相較于金屬熱沉，PCM熱沉重量輕，同時其巨大的相變潛熱使其儲熱性能非常優(yōu)越，因而被廣泛應(yīng)用于缺乏主動散熱條件的電子設(shè)備瞬態(tài)熱控領(lǐng)域。然而PCM熱沉導(dǎo)熱性能較差，通常需要采用高導(dǎo)熱骨架材料或金屬隔筋來增強其綜合導(dǎo)熱性能。本方案針對環(huán)境條件及熱控要求，采用膨脹石墨骨架/85#高碳醇復(fù)合PCM，其相變潛熱高，導(dǎo)熱性能好，同時膨脹石墨具有良好吸附性能，能有效降低液體流動和泄漏風(fēng)險。表2是85#高碳醇與膨脹石墨不同封裝率下的熱物性參數(shù)。

表2 85#高碳醇與膨脹石墨不同封裝率下PCM熱物性參數(shù)

2.2 相變散熱數(shù)學(xué)模型

本次仿真采用Mentor Graphics公司開發(fā)的針對電子設(shè)備內(nèi)熱流流動和散熱的工程熱分析軟件FloEFD，其采用有限體積法對芯片級到系統(tǒng)級三維散熱問題進行計算和分析。針對熱流流動和散熱問題，將復(fù)合PCM等效成均勻材料，假設(shè)其相變前后密度保持不變，則其控制方程（包括連續(xù)性方程、動量方程和能量方程）為：

； (2)

。 (3)

針對固-液型復(fù)合PCM，文獻[3,8-10]主要介紹并對比了界面追蹤結(jié)合VOF方法、焓-多孔介質(zhì)法和等效比熱法3種建模方法，結(jié)論顯示，前2種方法模型復(fù)雜且消耗資源極大，而等效比熱法消耗較低資源的同時計算精度能夠滿足工程需求，故以上文獻均最終采用等效比熱法進行仿真分析。

等效比熱法是將PCM的相變潛熱等效成比熱容。對于理想PCM，相變發(fā)生在特定溫度點，其對應(yīng)比熱容為無限大值，而實際上相變發(fā)生在一個溫度區(qū)間內(nèi)，這就使得在這個溫度范圍內(nèi)的等效比熱容為有限值。等效比熱法數(shù)學(xué)表達式為

式中：*為等效比熱容；solid為固態(tài)時PCM的比熱容；為PCM的相變潛熱；Δ為相變溫度范圍。

本文采用的PCM為封裝率85%的膨脹石墨基85#高碳醇（相變峰值點85℃），利用差示掃描量熱方法（DSC）得到其相變特性，其相變溫度范圍為76～87℃，等效比熱容可表示為分段函數(shù)：

將上述等效熱導(dǎo)率、等效比熱容和密度導(dǎo)入FloEFD工程數(shù)據(jù)庫，為進一步計算做準備。

2.3 物性參數(shù)及邊界條件

假設(shè)初始和環(huán)境溫度為70 ℃，只能提供局部空氣自然對流條件，模塊腔體材料采用鋁合金5A06，芯片與熱沉間采用熱導(dǎo)率為1.5W/(m·K)、厚度為0.5mm的導(dǎo)熱絕緣墊進行非穩(wěn)態(tài)計算。

3 仿真分析與討論

針對以上初始和邊界條件，分別采用復(fù)合PCM熱沉和鋁熱沉進行散熱仿真對比。

3.1 溫度云圖

圖3為31min后的熱沉模塊和芯片溫度云圖，可以看出，鋁熱沉對應(yīng)溫度明顯高于PCM熱沉，說明鋁熱沉的熱容能力顯著小于PCM熱沉，而鋁熱沉的導(dǎo)熱性能顯著優(yōu)于PCM熱沉，溫度均勻性更好。

(a) PCM

(b)鋁

圖3 PCM熱沉和鋁熱沉溫度云圖

Fig.3 Temperature distribution of PCM and Al heat sink

3.2 溫度變化趨勢

圖4為鋁熱沉和PCM熱沉在31min內(nèi)的溫度變化曲線。可以看出：在最開始的4min內(nèi)（黑色分隔線左側(cè)區(qū)域），由于鋁熱沉材料更均勻、導(dǎo)熱系數(shù)更高，使得其散熱性能優(yōu)于PCM熱沉，從而芯片溫度更低，在這一工作時間內(nèi)，鋁熱沉性能更優(yōu)；4min后，鋁熱沉對應(yīng)芯片的溫升速率幾乎保持不變，而PCM熱沉內(nèi)開始發(fā)生相變，吸收大量的熱量，導(dǎo)致對應(yīng)芯片溫升曲線趨于平緩，溫度顯著低于鋁熱沉；20min后，PCM已經(jīng)全部融化，相變潛熱用盡，對應(yīng)芯片溫升速率又高于鋁熱沉，但計算結(jié)束，芯片溫度仍低于鋁熱沉工況，充分說明了PCM熱沉的總體散熱性能優(yōu)于鋁熱沉。

圖4 PCM熱沉與鋁熱沉溫度變化曲線比較

對于常用芯片而言，其最高允許結(jié)溫約125℃，從圖4中可以看出，在此溫度范圍內(nèi)PCM熱沉可使用時間約為鋁熱沉的2倍，重量卻僅約為鋁熱沉的1/3，對平臺而言，具有極大利用價值。

4 實驗驗證

4.1 實驗方案

為驗證PCM熱沉的散熱特性，并與仿真結(jié)果進行比較，用陶瓷模擬熱源代替真實功率器件，通過導(dǎo)熱絕緣墊將模擬熱源緊貼熱沉，在對應(yīng)監(jiān)測位置貼上OMEGA的T型熱電偶（見表3）后采用高溫膠帶進行壓緊和隔熱處理，熱電偶測溫精度為0.5℃。將實驗件放入70℃溫箱進行保溫和加電測試，采用NI數(shù)據(jù)采集儀實時記錄監(jiān)測點溫度，如圖5所示。

表3 熱電偶編號和對應(yīng)位置

圖5 實驗系統(tǒng)及熱沉樣件

4.2 實驗結(jié)果

實驗結(jié)果如圖6所示，整個散熱過程仍可以分為相變前溫升段、相變溫升段和相變后溫升段3段，相變溫升段溫升速率顯著低于其他2段。

圖6 實驗芯片溫度變化曲線

除去熱沉上下表面和環(huán)境溫度，溫度曲線可分為3組：第1組為Chip7，由于其功率高，初始溫升速率最快，并迅速領(lǐng)先其他芯片達到最高；第2組為Chip1、Chip2和Chip3，由于其熱流密度最低，溫升速率最慢，溫度最低；其他芯片為第3組，由于芯片熱耗相近，故曲線比較集中，但趨勢仍是功率（熱流密度）更高的芯片溫度更高。以大部分工業(yè)芯片最高結(jié)溫125℃為限，使用PCM熱沉芯片可持續(xù)工作大于30min，滿足平臺的短時工作需求。

4.3 實驗與仿真對比

圖7(a)～(d)為實驗和仿真結(jié)果對比。

(a)

(b)

(c)

(d)

圖7 實驗與仿真結(jié)果對比

Fig.7 Comparison of simulation and experimental result

可以看出，實驗曲線和仿真曲線溫度變化趨勢一致，均分為明顯的3段，但在不同時間段溫升速率有較大差異，從而出現(xiàn)了分化：25min之前，實驗得到芯片溫度低于仿真結(jié)果，而之后出現(xiàn)相反的趨勢。經(jīng)分析，這是由于實驗采用的PCM發(fā)生相變更晚，同時實驗過程中存在導(dǎo)熱絕緣墊壓緊力不足而產(chǎn)生更大接觸熱阻等干擾因素，導(dǎo)致前半段溫度高于仿真結(jié)果；相反，仿真中PCM相變完成時間早于實驗PCM，從而導(dǎo)致相變后溫升段提前，溫度迅速上升并超過實驗結(jié)果。

對比結(jié)果表明，膨脹石墨基復(fù)合PCM實際相變溫度范圍與仿真模型有差異，其原因可能包括：1）仿真模型采用等效比熱法無法反映多孔介質(zhì)內(nèi)部工質(zhì)流動和傳熱的復(fù)雜機理，且等效法未完全覆蓋真實溫變范圍，因而方法本身存在一定誤差；2）PCM實際存在一定程度非均勻性，使得DSC測得的樣品參數(shù)具有局限性；3）測溫點少，無法反映熱沉平均溫度水平。為提高仿真準確度，后續(xù)需要改進仿真方法，并得到更準確的材料屬性參數(shù)。

5 結(jié)束語

本文使用FloEFD軟件對膨脹石墨基復(fù)合PCM熱沉和鋁熱沉散熱性能進行了仿真對比，并進行了PCM相變熱沉的同工況溫箱實驗，證明了PCM熱沉在無主動散熱平臺中的應(yīng)用優(yōu)勢。在后續(xù)的研究工作中需要針對具體溫控對象，合理選擇相變材料并準確測試材料熱物性參數(shù)，同時改進仿真方法，充分考慮材料的非均勻性和不同工作條件下多孔石墨骨架內(nèi)工質(zhì)相變過程中的對流效應(yīng)，并盡量減小與實際工況邊界條件的不一致性，提高仿真精度和準確性，以加強對工程設(shè)計和應(yīng)用的指導(dǎo)性。

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（編輯：馮露漪）

Application of composite PCM in thermal management of electronic equipment

LIN Jia, JIANG Xingwang, TAN Jiyong, ZHOU Zhenkai

(The 29th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation, Chengdu 610000, China)

Some electronic equipment works in short time with high heat flux, which will cause a steep temperature rise that may even lead to equipment failure. In order to solve this problem, the expanded graphite/higher alcohol composite phase change material (PCM) is adopted in a high heat flux module. A comparison between PCM and Al as the heat sink material is made through simulation. It is shown that the PCM heat sink enjoys a superior thermal performance over the Al heat sink in the non-active cooling platform. A thermal experiment under the same condition is conducted to verify the superior thermal performance of the PCM and to make comparison with the simulation results as well. It is shown that both results have the same trend of temperature variation, but specific temperature change rates are observed for different phase change temperatures. The difference between the experiment and the simulation is analyzed, and the results may provide a basis for the thermal design and management using PCM as the heat sink under rigorous conditions.

composite PCM; thermal management;electronic equipment; heat sink; simulation analysis; experimental study

TK124; TB34

A

1673-1379(2017)02-0150-06

10.3969/j.issn.1673-1379.2017.02.007

2016-10-28；

2017-03-05

林佳（1988—），男，碩士學(xué)位，主要從事電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計及熱管理工作。E-mail: 495818632@qq.com。

http://www.bisee.ac.cn

E-mail: htqhjgc@126.com

Tel: (010)68116407, 68116408, 68116544