陳焱飆，李澄宇

（中國電子科技集團公司第三十研究所，四川成都610041）

引 言

VPX標準是VME國際貿(mào)易協(xié)會（VME International Trade Association,VITA）組織提出的新一代高速串行總線標準。該標準具有最高10 Gbit/s的數(shù)據(jù)傳輸帶寬，并能支持多處理器計算機架構(gòu)，可以解決數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳輸以及接口標準化的難題。VITA48.1，VITA48.2，VITA48.3分別定義了風冷、導冷以及液冷3種加固型VPX模塊結(jié)構(gòu)。其中VITA48.2定義的導冷模塊配有專用助拔器，通過兩側(cè)楔形鎖緊條與導軌架固定，該種結(jié)構(gòu)形式具有良好的抗沖擊、振動性能，在航空航天以及軍用電子設(shè)備中使用最為廣泛[1]。

VPX模塊通常采用縱向布置以提高空間利用率，常規(guī)19英寸機箱可布置16個VPX模塊。按VITA65標準規(guī)定的常規(guī)6U模塊最大允許熱功耗150 W估計，整機熱功耗可高達2 400 W。但VPX標準并未對宿主設(shè)備結(jié)構(gòu)進行詳細討論，國內(nèi)學者也未對整機散熱提出系統(tǒng)的解決方案，如何解決高熱流密度機箱的散熱問題，是現(xiàn)有VPX架構(gòu)設(shè)計所面臨的重要問題。本文對某型信號處理設(shè)備進行熱設(shè)計，并使用6sigma軟件對其進行熱仿真分析，優(yōu)化了設(shè)備結(jié)構(gòu)，提高了設(shè)備散熱效果。

1 模塊散熱熱阻分析

針對VITA48.2標準的模塊結(jié)構(gòu)，整機風道形式主要分為貫穿風冷和傳導風冷。該種模塊兩側(cè)鎖緊條占用大量通風面積，在保證標準VPX槽位間距及模塊厚度的前提下，貫穿風冷系統(tǒng)風阻大，對系統(tǒng)風道設(shè)計和風機選型要求更高。本文主要考慮傳導風冷，VPX模塊通過傳導將熱量傳到導軌架，再由強迫風冷將熱量帶走。

設(shè)計模塊方案時通常將高熱流密度芯片焊接在印制板上，芯片表面通過導熱襯墊與模塊腔體緊貼，將熱量傳導至模塊腔體上。模塊兩側(cè)肋條上安裝有便于模塊維護的楔形鎖緊機構(gòu)，當模塊插入機架冷板插槽后利用楔形鎖緊機構(gòu)對模塊進行鎖緊，通過緊貼的肋條和楔形鎖緊機構(gòu)與機架冷板實現(xiàn)熱交換。熱傳導路徑如圖1所示，熱阻網(wǎng)絡(luò)如圖2所示。圖中：Rct,0為導熱墊接觸熱阻；Rm為模塊傳導熱阻；Rwg為鎖緊條熱阻；Rch為機架傳導熱阻；Rcv為空氣對流熱阻；Rjc為結(jié)殼熱阻；Tj為結(jié)溫；Tf為環(huán)境溫度。

圖1 VPX模塊散熱路徑

圖2 VPX模塊冷卻熱阻網(wǎng)絡(luò)

熱阻是熱量轉(zhuǎn)移過程的阻力，其定義如下[2]：

式中：?T表示兩節(jié)點間的溫差；Q表示節(jié)點間傳遞的熱流功率；熱阻R表示兩節(jié)點在傳遞單位熱流功率時的溫差，反應(yīng)介質(zhì)或介質(zhì)間的傳熱能力。對于傳導熱阻，可按下式計算：

式中：L為傳熱的距離；K為材料的導熱系數(shù)；A為傳熱的截面積。由于通常情況下相互接觸的表面既不平整也不光滑，因此微觀上兩個面之間的接觸是由空氣間隙隔開的許多點對點的接觸。由于空氣的熱傳導率只有0.026 W/（m·?C），相比常用散熱器材料鋁的傳導率200 W/（m·?C）要低得多，所以相互接觸的界面之間會形成接觸熱阻。接觸熱阻計算的理論模型復雜，影響因素較多，工程上一般通過試驗測量的方法得到。根據(jù)文獻[3–4]可以得到導熱墊的接觸熱阻Rct,0=0.04?C/W以及單個楔形鎖緊條鎖緊處總熱阻Rwg≈0.33?C/W。

模塊散熱殼體的材料通常采用6063鋁板，其導熱系數(shù)K=200 W/（m·?C），傳熱截面積A=0.16×0.01=0.001 6 m2，模塊的平均傳導熱阻：

式中，n為殼體上離散點的總數(shù)。

表1 系統(tǒng)熱阻、溫升分布

由熱阻網(wǎng)絡(luò)分析可知，在高熱流密度下，每一點熱阻都會產(chǎn)生較高的溫升，最終導致元器件高溫失效，所以必須對散熱路徑上的熱阻進行優(yōu)化。當選定芯片后，芯片結(jié)殼熱阻就已確定，無法改變。導熱襯墊和鎖緊條的接觸熱阻主要與壓緊力和材料表面粗糙度有關(guān)，在VITA48.2的模塊中，通過選擇合適的熱界面材料和控制壓緊力來盡可能地減少接觸熱阻。模塊傳導熱阻和機架空氣對流熱阻在整個熱阻網(wǎng)絡(luò)中占比最大，盡可能對其進行控制是整機熱設(shè)計的關(guān)鍵。

2 基于VITA48.2標準的整機熱設(shè)計

根據(jù)熱平衡方程，整機所需的通風量：

式中：ρ為空氣密度，60?C時，ρ=1.06 kg/m3；Cp為空氣的比熱，Cp=1 005 J/（kg·?C）；Q為總損耗功率，Q=1 000 W；?t為冷卻空氣出口與進口的溫差，這里初定?t=10?C。

經(jīng)計算，Qf=5.63 m3/min，考慮系統(tǒng)風壓阻力并留取一定安全裕量，選取3個Bi-Sonic的BP1202512H風機預(yù)計能夠滿足設(shè)計需求，單個風機最大風量為3.398 m3/min。

由于氣流在轉(zhuǎn)角和通道尺寸變化時會產(chǎn)生壓力損失，理想情況下的通風面積應(yīng)該與風機尺寸相同，并且轉(zhuǎn)角處通過光滑圓弧過度。試驗表明，通風面積降低到理想通風面積的60%前，流量不會產(chǎn)生明顯變化。預(yù)估整機通風面積S=0.6×120×120×3=25 920 mm2。所以對于該種結(jié)構(gòu)形式，采用前進后出的風道，標準7U（1U=44.45 mm）機箱能夠滿足其散熱需求。

3 熱仿真分析及優(yōu)化

3.1 熱仿真分析

對某型處理設(shè)備進行熱仿真分析，模塊的熱分布見圖3，單板熱功耗總計91.7 W。

圖3 模塊熱功耗分布

通過6sigma軟件進行熱仿真計算，環(huán)境溫度設(shè)為45?C，得到溫度云圖如圖4所示?？梢钥吹?，該條件下模塊到導軌間溫升較高，芯片最高溫度為95.1?C，高于主流工業(yè)檔電子器件允許工作最高溫度85?C，不利于硬件設(shè)計與選型，需要優(yōu)化散熱。

圖4 熱仿真溫度云圖

3.2 優(yōu)化設(shè)計

由仿真結(jié)果可知，模塊傳導熱阻較大是機箱散熱的瓶頸之一。傳統(tǒng)均溫組件一般選用高導熱系數(shù)的金屬材料（如紫銅），而均溫板作為一種高效氣–液相變傳熱器件已經(jīng)越來越多地作為均溫組件應(yīng)用于電子設(shè)備散熱中[5–6]。均溫板實際上是一種具有蒸發(fā)面和冷凝面的平板熱管，熱源作用于蒸發(fā)面，熱量通過工作介質(zhì)的蒸發(fā)、冷凝、回流過程擴散到整個熱管腔內(nèi)，并且溫度在熱管壁面分布均勻。均溫板的導熱系數(shù)可達800 W/（m·K），將模塊散熱殼體由常規(guī)鋁板改為均溫板，可以大大提高其傳熱效率。均溫板結(jié)構(gòu)見圖5。

圖5 均溫板結(jié)構(gòu)

將模塊殼體更換為均溫板后重新進行熱仿真分析（圖6），芯片最高溫度為82.1?C，散熱效果提升明顯。

圖6 均溫板散熱殼體熱仿真溫度云圖

對于該種結(jié)構(gòu)形式，散熱導軌的長、寬、齒高、基板厚度等基本尺寸已由板卡尺寸和機箱尺寸決定，能夠優(yōu)化的主要參數(shù)為散熱齒齒厚和齒間距。以齒厚和齒間距為自變量，芯片最高溫度為目標函數(shù)進行仿真，結(jié)果如表2所示?？梢钥吹?，由于整機采用前后通風的結(jié)構(gòu)形式，風道通暢，齒間距在2 mm以上時，縮小齒厚和齒間距并不會對系統(tǒng)風阻產(chǎn)生顯著影響，卻可以增加強迫風冷的換熱面積，有效提高換熱效率。系統(tǒng)流場和壓力場如圖7、圖8所示，風速均為5 m/s左右。

表2 散熱齒參數(shù)與芯片最高溫度及系統(tǒng)風壓關(guān)系表

圖7 齒厚2.5 mm齒間距7.5 mm時機箱流場和壓力場

圖8 齒厚1 mm齒間距2 mm時機箱流場和壓力場

4 結(jié)束語

傳導風冷相比貫穿風冷風道形式更加簡單，空間利用率更高，通常對于標準6U板卡，機箱高度為7U。但對于高熱流密度模塊，常規(guī)鋁板傳導熱阻較大，無法將熱量及時傳出，需要使用均溫板或者熱管等方式提高傳導效率。文中風道形式風壓阻力較小，在保證齒間距2 mm的基礎(chǔ)上，縮小齒厚和齒間距可以有效提高風冷換熱效率。由于均溫板是一種氣–液相變傳熱組件，其工作原理和瞬態(tài)工況較為復雜，用其穩(wěn)態(tài)導熱系數(shù)進行仿真可能存在一定偏差，其瞬態(tài)過程有待進一步分析、驗證。