史亮，趙靜，王瑞豪，周穎，滿天樂(lè)

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十二研究所，杭州 311121）

引言

近年來(lái)，隨著信息化與電子技術(shù)不斷突破創(chuàng)新，電子裝備功能性能持續(xù)提升，迎來(lái)快速發(fā)展期[1]。與之相匹配的電子板卡模塊也呈現(xiàn)出標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化和集成化的特點(diǎn)，其中，標(biāo)準(zhǔn)化接口的VPX高密度集成板卡由于其便于快速插拔和優(yōu)異的互換性[2]，受到越來(lái)越多的客戶選擇。伴隨功能性能的不斷提升，也推高了板卡模塊的功耗，帶來(lái)的高溫環(huán)境對(duì)板卡模塊的穩(wěn)定性造成了較大的影響，板卡模塊的散熱問(wèn)題越來(lái)越突出[3]。

本文以高熱密度標(biāo)準(zhǔn)VPX板卡模塊為例，利用導(dǎo)熱塊、熱管和散熱冷板構(gòu)建高效散熱路徑，將主要功率器件與導(dǎo)熱塊貼合，再通過(guò)熱管將功率器件熱量快速傳導(dǎo)至散熱冷板的冷端，實(shí)現(xiàn)均衡熱量分布并高效散熱的設(shè)計(jì)目的。同時(shí)，采用FLOTHERM軟件建立熱仿真模型，通過(guò)熱仿真軟件進(jìn)行熱仿真迭代分析，優(yōu)化的散熱設(shè)計(jì)方案，確定板卡模塊在典型功耗和最大功耗工況下的強(qiáng)迫風(fēng)冷環(huán)境的風(fēng)速要求，對(duì)同類型的高熱密度板卡模塊散熱設(shè)計(jì)具有較強(qiáng)的參考意義。

1 使用環(huán)境分析

該板卡模塊為用戶定制開(kāi)發(fā)，采用標(biāo)準(zhǔn)VPX模塊結(jié)構(gòu)，根據(jù)技術(shù)協(xié)議中功能性能要求，該板卡模塊主要包括FPGA1、FPGA2、FPGA3、CPU、SRIO等大功率器件，整板典型功耗預(yù)計(jì)為145 W，最大功耗預(yù)計(jì)可達(dá)185 W，具有整體功耗高、功率器件多、器件排布密的特點(diǎn)，屬于典型的高熱密度板卡模塊。

板卡模塊整體安裝于用戶標(biāo)準(zhǔn)VPX機(jī)架中，機(jī)架整體采用強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱，由模塊的右側(cè)進(jìn)風(fēng)，左側(cè)出風(fēng)，板卡模塊上的所有功率器件均需將熱量傳導(dǎo)至散熱冷板，通過(guò)流經(jīng)冷板的冷風(fēng)流帶走熱量進(jìn)行散熱。

2 總體結(jié)構(gòu)布局

該板卡模塊采用標(biāo)準(zhǔn)VPX模塊結(jié)構(gòu)，滿足VITA46/VITA48.1/VITA65標(biāo)準(zhǔn)，由主控板、子板1、子板2、正面散熱冷板、背面散熱冷板、左右支撐條、前擋條等部分組成。

左右支撐條安裝于板卡模塊的兩側(cè)，起支撐固定作用，正面散熱冷板組件貼覆于主控板top面，作為板卡模塊主要散熱組件的同時(shí)支撐板卡模塊整體，如圖1所示。

圖1 板卡模塊整體示意圖（正、反面）

3 高效散熱方案研究

3.1 溫度指標(biāo)要求

1）工作溫度：（-40～55）℃；

2）貯存溫度：（-55～70）℃。

3.2 主要功率器件分析

由于低溫工作、低溫貯存及高溫貯存的指標(biāo)重點(diǎn)考核所選用器件本身能力[4]，主要通過(guò)元器件選型和元器件篩選實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求，本文不做展開(kāi)分析，重點(diǎn)研究高溫工作條件下的主要功率器件工作情況。

板卡模塊的高溫工作條件為55 ℃，按照各模塊電路的設(shè)計(jì)方案，通過(guò)理論計(jì)算結(jié)合經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，考慮電源效率后，板卡模塊主要功率器件功耗統(tǒng)計(jì)如表1所示。

表1 板卡模塊主要功率器件統(tǒng)計(jì)表

3.3 總體設(shè)計(jì)思路

由前文3.2章節(jié)主要功率器件分析可知，板卡模塊整體功耗高、功率器件多、器件排布密，屬于典型的高熱密度板卡模塊。安裝后，通過(guò)機(jī)架強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱，板卡模塊上的主要功率器件均需將熱量高效傳導(dǎo)至散熱冷板，通過(guò)流經(jīng)冷板的冷風(fēng)流帶走熱量進(jìn)行散熱為主，同時(shí)通過(guò)輻射散熱為輔。。

結(jié)合本單位在此類高熱密度板卡模塊上的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，散熱設(shè)計(jì)主要從元器件選型、元器件布局、導(dǎo)熱路徑設(shè)計(jì)和散熱冷板設(shè)計(jì)四個(gè)方面進(jìn)行考慮。

3.4 元器件選型

綜合考慮板卡模塊性能及其使用環(huán)境要求，為較好滿足熱環(huán)境條件，元器件選型盡量遵循以下原則：

1）元器件盡量選用工業(yè)級(jí)以上標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，結(jié)溫至少85 ℃以上，部分大功率器件結(jié)溫至少100 ℃以上；

2）在滿足性能的前提下，盡量選擇低功耗器件；

3）盡量選用陶瓷或金屬封裝的元器件，減小芯片自帶封裝上的熱耗。

3.5 元器件布局

為了降低板卡模塊整體溫升，增加可靠性，主控板印制板的器件布局需要進(jìn)行重點(diǎn)研究，對(duì)熱源進(jìn)行均布處理，采用以下方案：

1）FPGA等大功耗高熱流密度器件單獨(dú)放置于印制板的特定區(qū)域且盡可能靠近模塊與機(jī)箱的導(dǎo)熱面[5]；

2）Flash、DDR等普通功率器件均布在印制板正反面，有效利用印制板面積；

3）電源模塊等熱敏感器件盡可能避讓大功耗器件布置。

根據(jù)以上的元器件布局思路，對(duì)主控板器件布局方案進(jìn)行如下設(shè)計(jì)，如圖2所示。

圖2 主控板功率器件布局示意圖

3.6 導(dǎo)熱路徑設(shè)計(jì)

由于板卡模塊上的功率器件均通過(guò)散熱冷板進(jìn)行散熱，因此高效的導(dǎo)熱路徑設(shè)計(jì)對(duì)功率器件散熱及板卡模塊整體散熱將起到關(guān)鍵作用，采用以下方案：

1）優(yōu)先選用導(dǎo)熱系數(shù)較高的導(dǎo)熱塊和導(dǎo)熱墊；

2）將主控板上的大功耗器件（＞2 W）的熱量傳導(dǎo)至模塊散熱冷板上；

3）對(duì)于FPGA、PowerPC等高功耗重要器件，使用超高導(dǎo)熱效率材料（如熱管），將芯片熱量傳導(dǎo)至散熱冷板的冷端[6]。

根據(jù)以上設(shè)計(jì)思路，對(duì)主控板主要功率器件導(dǎo)熱路徑進(jìn)行如下設(shè)計(jì)，將主要功率器件與導(dǎo)熱塊貼合，再通過(guò)熱管將功率器件熱量快速傳導(dǎo)至散熱冷板的冷端，實(shí)現(xiàn)均衡熱量分布并高效散熱的設(shè)計(jì)目的，如圖3所示。

圖3 模塊導(dǎo)熱設(shè)計(jì)示意圖

3.7 散熱冷板設(shè)計(jì)

正面散熱冷板、背面散熱冷板做為板卡模塊主要散熱組件，板卡模塊上的主要功率器件將熱量傳導(dǎo)至散熱冷板，通過(guò)流經(jīng)冷板的冷風(fēng)流帶走熱量進(jìn)行散熱為主，同時(shí)通過(guò)輻射散熱為輔。

為科學(xué)計(jì)算散熱冷板所需提供的散熱翅片面積，可利用功耗計(jì)算公式（1）進(jìn)行計(jì)算推導(dǎo)。

式中：

P—散熱冷板對(duì)應(yīng)功率芯片總發(fā)熱功耗；

h—散熱冷板表面對(duì)流換熱系數(shù)；

A—散熱冷板對(duì)應(yīng)總發(fā)熱功耗P所必需的散熱翅片面積；

Ths—散熱冷板溫度；

Ta—流經(jīng)散熱冷板的冷空氣溫度[7]。

上述公式（1）中，P可根據(jù)功率芯片布局和表1得出；散熱冷板與冷空氣之間的溫差ΔT（即Ths-Ta），根據(jù)實(shí)際工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，通常為（15～25）℃，可取典型值20 ℃；對(duì)流換熱系數(shù)h，根據(jù)強(qiáng)迫風(fēng)冷的經(jīng)驗(yàn)值估算，可設(shè)定為40 W/（m2·K）。經(jīng)計(jì)算，可得到散熱冷板所需提供的散熱翅片面積A。

散熱冷板散熱翅片設(shè)計(jì)不僅要考慮發(fā)熱損耗所必需的散熱面積，還需要結(jié)合風(fēng)機(jī)位置和風(fēng)道流向，合理設(shè)計(jì)翅片分布與翅片間隙，以保證風(fēng)道順暢，控制合理的風(fēng)阻值。

此外，為提高散熱冷板輻射散熱能力，冷板采用鋁合金2A12材料，外表面采用黑色陽(yáng)極氧化處理Et·AS·CL（BK）提高材料表面黑度，表面黑度εH：≥0.87±0.02，從而實(shí)現(xiàn)最大限度利用輻射散熱的設(shè)計(jì)目的。

4 熱仿真分析

根據(jù)以上散熱設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行熱仿真驗(yàn)證，設(shè)置環(huán)境溫度55 ℃，控制環(huán)境風(fēng)速以模擬用戶機(jī)箱的條件，板卡模塊在典型功耗145 W工作狀態(tài)下，仿真結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 典型功耗下板卡模塊整體熱仿真云圖

圖5 典型功耗下主要功率器件核心溫度曲線圖

由仿真結(jié)果可知，當(dāng)流經(jīng)板卡模塊的最小風(fēng)速不小于4 m/s時(shí)，模塊上的最高溫度點(diǎn)出現(xiàn)在FPGA1芯片核心，約為99 ℃，CPU核心溫度約93 ℃，除FPGA、CPU芯片外其余所有芯片核心溫度均小于85 ℃，能夠保證在其結(jié)溫之下工作，滿足正常使用要求，因此，在典型功耗狀態(tài)下，當(dāng)風(fēng)冷環(huán)境的風(fēng)速不小于4 m/s時(shí)，板卡模塊的散熱設(shè)計(jì)可滿足要求。

板卡模塊在185 W的最大功耗工作狀態(tài)下，其熱仿真結(jié)果如圖6、圖7所示。

圖6 最大功耗下板卡模塊整體熱仿真云圖

圖7 最大功耗下主要功率器件核心溫度曲線圖

由仿真結(jié)果可知，當(dāng)流經(jīng)模塊的最小風(fēng)速不小于7 m/s時(shí)，模塊上的最高溫度點(diǎn)出現(xiàn)在FPGA1芯片核心，約為99.9 ℃，CPU核心溫度約92 ℃，除FPGA、CPU芯片外其余所有芯片核心溫度均小于85 ℃，能夠保證在其結(jié)溫之下工作，滿足正常使用要求，因此，在最大功耗狀態(tài)下，當(dāng)風(fēng)冷環(huán)境的風(fēng)速不小于7 m/s時(shí)，板卡模塊的散熱設(shè)計(jì)可滿足要求。

根據(jù)對(duì)該高熱密度板卡模塊在典型功耗和最大功耗工況下的熱仿真分析，對(duì)比用戶機(jī)箱的風(fēng)冷設(shè)計(jì)指標(biāo)（風(fēng)速指標(biāo)），可判斷本次散熱設(shè)計(jì)可滿足設(shè)計(jì)要求，確保板卡模塊穩(wěn)定工作。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文以高熱密度標(biāo)準(zhǔn)VPX板卡模塊為例，利用導(dǎo)熱塊、熱管和散熱冷板構(gòu)建高效散熱路徑，實(shí)現(xiàn)均衡熱量分布并高效散熱的設(shè)計(jì)目的。同時(shí)，采用FLOTHERM軟件建立熱仿真模型，通過(guò)熱仿真軟件進(jìn)行熱仿真迭代分析，優(yōu)化的散熱設(shè)計(jì)方案，確定板卡模塊在典型功耗和最大功耗工況下的強(qiáng)迫風(fēng)冷環(huán)境的風(fēng)速要求，可為同類型高熱密度板卡模塊散熱設(shè)計(jì)提供參考。