某高功率導(dǎo)冷模塊散熱設(shè)計(jì)及測(cè)試

陽(yáng)丁，杜林秀，張永成

（中國(guó)電子科技集團(tuán)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(wèn)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(lái)的漏液風(fēng)險(xiǎn)，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(guò)導(dǎo)熱絕緣墊與模塊盒體的散熱凸臺(tái)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)，導(dǎo)熱潛能不足。近年來(lái)，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(kuò)散至整個(gè)腔體，將熱量傳導(dǎo)至冷端，隨后冷凝為液態(tài)后通過(guò)微通道回流。均熱板相變工質(zhì)從蒸發(fā)到冷凝的過(guò)程在真空腔體內(nèi)快速循環(huán)，實(shí)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(dá)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(guò)嚴(yán)格的熱學(xué)計(jì)算、熱仿真及測(cè)試后才能進(jìn)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(zhǎng)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(jì)算

由傅里葉導(dǎo)熱定理可知：垂直導(dǎo)過(guò)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(chǎng)，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(duì)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(jì)算公式如下：

式中，L為為熱傳導(dǎo)路徑長(zhǎng)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(jiǎn)化計(jì)算，芯片與盒體之間的接觸熱阻通過(guò)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(dá)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(jì)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(jì)算得到：當(dāng)均熱板x向?qū)嵯禂?shù)為1000W/（m.℃）時(shí)，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(shí)（等同于均熱板失效時(shí)），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(jì)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(duì)均熱板進(jìn)行導(dǎo)熱仿真計(jì)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(jìn)行數(shù)值計(jì)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(jì)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(jì)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(shí)計(jì)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在圖2所示印制電路中4塊35W芯片附近布置溫度測(cè)試點(diǎn)，高功率導(dǎo)冷模塊均熱板專用熱測(cè)試工裝如圖5所示，熱臺(tái)導(dǎo)熱邊實(shí)測(cè)溫度約為44℃，均熱板熱測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1，抽樣測(cè)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(cè)試工裝

表1 均熱板抽樣溫度測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)語(yǔ)

高功率導(dǎo)冷模塊采用均熱板技術(shù)實(shí)現(xiàn)散熱，其中均熱板可通過(guò)理論初步設(shè)計(jì)、仿真、實(shí)物測(cè)試、故障暴露及分析、優(yōu)化、再驗(yàn)證和生產(chǎn)抽檢等步驟實(shí)現(xiàn)。均熱板作為關(guān)鍵部件，必須重點(diǎn)關(guān)注，并進(jìn)行多件試制和實(shí)驗(yàn)。本文提到的利用簡(jiǎn)化傳熱模型估算均熱板散熱能力的方法便于工程設(shè)計(jì)人員在工程設(shè)計(jì)初期對(duì)均熱板散熱能力進(jìn)行評(píng)估。