洪大良　邵世東　張根烜

摘 要：本文采用導(dǎo)冷技術(shù)解決高溫環(huán)境下插件的散熱問題。為確定該技術(shù)的散熱能力，本文進行了仿真研究。研究結(jié)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(dǎo)冷板的導(dǎo)熱系數(shù)增加而降低，如果采用純銅作為導(dǎo)冷板材料，則采用該技術(shù)能夠解決單板200W以上插件散熱問題的潛力。由于該技術(shù)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(shù)字插件散熱中廣泛使用的潛力。

關(guān)鍵詞：插件；導(dǎo)冷；仿真；溫度

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

1 引言

電子工業(yè)的加速發(fā)展，對電子設(shè)備體積提出了小型化的需求，同時，電子設(shè)備的功能和復(fù)雜性日益增長，使得設(shè)備內(nèi)部電子器件整體功耗及熱量不斷增加，以上原因都會導(dǎo)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(shè)備的失效是由電子器件的溫度過高導(dǎo)致[3]。雷達等軍用電子設(shè)備來需要信號處理分機對相關(guān)的數(shù)據(jù)進行采集處理，數(shù)字插件是信號處理分機的重要組成部分。傳統(tǒng)上數(shù)字插件都是采用風(fēng)冷技術(shù)進行散熱[4-6]。采用風(fēng)冷技術(shù)對數(shù)字插件散熱會受到兩個方面的局限。一方面當(dāng)環(huán)境溫度升高的時候，數(shù)字插件上面功率器件的工作溫度會升高，這會影響數(shù)字插件工作的可靠性， 另外一方面采用風(fēng)冷技術(shù)要求在分機內(nèi)部具有帶翅片翅片的冷板以及相應(yīng)的風(fēng)道結(jié)構(gòu)，這會大幅度增加分機的外形尺寸和重量，從而增加了相應(yīng)的安裝空間。近年來液冷技術(shù)被引入到數(shù)字插件的散熱系統(tǒng)中，有研究人員[7]將帶流道的冷板直接貼在數(shù)字插件上，數(shù)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(shù)散熱效果較好，但是由于采用該種液冷技術(shù)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(nèi)部泄露的風(fēng)險，從而嚴(yán)重影響分機的工作安全性。考慮到以上散熱技術(shù)面臨的問題，本文采取插件導(dǎo)冷散熱技術(shù)解決DBF插件的散熱問題。

2 插件導(dǎo)冷散熱技術(shù)工作原理

圖1顯示的插件導(dǎo)冷散熱技術(shù)工作原理圖。發(fā)熱器件的熱量通過導(dǎo)熱襯墊傳遞到金屬導(dǎo)冷板上，然后這些熱量沿著金屬導(dǎo)冷板傳遞到機箱壁。機箱壁面內(nèi)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(fā)熱器件接觸的導(dǎo)冷板內(nèi)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(nèi)部發(fā)生冷卻液泄露情況，保證機箱內(nèi)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(fā)熱器件分布示意圖。表1顯示的是各器件的發(fā)熱量。從圖2和表1可以看出，搞DBF插件的發(fā)熱量約為53W，且其發(fā)熱量主要集中在發(fā)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(dǎo)冷技術(shù)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(jié)果進行介紹。

4.1 模型介紹

圖3顯示的DBF插件導(dǎo)冷板3維模型。圖中紅色等各種顏色的方塊代表的是發(fā)熱器件，青色代表的是導(dǎo)冷板基板，藍色代表的是基板上的導(dǎo)冷條，導(dǎo)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(dǎo)冷條傳遞到機箱壁面。發(fā)熱器件和導(dǎo)冷板之間裝有導(dǎo)熱襯墊，其當(dāng)量接觸換熱系數(shù)取值為5000W/（m2·℃），機箱內(nèi)冷卻液的進口溫度為30℃，當(dāng)插件單板熱耗為53W的時候，考慮和接觸和傳導(dǎo)熱阻導(dǎo)冷條相對進口冷卻液進口溫升被設(shè)定為10℃，當(dāng)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(dǎo)冷板傳遞到機箱壁面，因此在發(fā)熱器件位置分布確定的情況下導(dǎo)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(jié)果

圖4顯示的是插件熱耗為53W、導(dǎo)冷板材料為6061鋁合金、導(dǎo)冷板厚度為4mm（不含凸臺高度）的時候插件熱仿真結(jié)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(biāo)要求。圖5和圖6分別顯示的是當(dāng)導(dǎo)冷板材料為鋁和銅的時候插件熱仿真結(jié)果溫度云圖，從圖中可以看出導(dǎo)冷板材料為鋁的時候插件的最高溫度為57.1℃，導(dǎo)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(dǎo)熱系數(shù)都遠較6061鋁合金大，采用這兩種材料作為導(dǎo)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(dǎo)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(guī)律。需要注意的是，當(dāng)插件熱耗發(fā)生改變的時候，本文假定各器件的熱耗按照相同的比例發(fā)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(dāng)使用鋁合金6061作為導(dǎo)冷板材料的時候當(dāng)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(biāo)，當(dāng)使用鋁和銅作為導(dǎo)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(dǎo)冷板材料的時候插件的芯片的最高溫度更低。

考慮到現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)機箱的尺寸，導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)冷板材料為銅的時候，DBF插件芯片最高溫度隨導(dǎo)冷板厚度變化的規(guī)律。從文中可以看出隨著導(dǎo)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(dǎo)冷板厚度的增加，芯片熱量傳遞到導(dǎo)冷條過程的導(dǎo)熱熱阻減少。

5 結(jié)論

本文采用插件導(dǎo)冷散熱技術(shù)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(jié)論如下：

（1）插件導(dǎo)冷散熱技術(shù)通過金屬導(dǎo)冷板將插件熱量傳遞到液冷機箱，該技術(shù)具有結(jié)構(gòu)簡單、安全可靠等特點，能長時間高效穩(wěn)定工作。

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

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

參考文獻：

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