某高密度組裝模塊的熱設計與實(shí)現

摘要 綜合化模塊組裝密度高，熱設計方案優(yōu)劣直接影響模塊各項性能指標。采用仿真手段對比優(yōu)化方案，確定能增加導熱通路的夾層結構。測試模塊溫升路徑，通過(guò)在模塊插槽鵲媛斂及在芯片與殼體之間加墊導熱墊的方法降低接觸熱阻，保證了熱設計方案能滿(mǎn)足模塊性能要求，為類(lèi)似模塊熱設計提供了參考。

模塊是電子設備的基本組成部件，隨著(zhù)電子技術(shù)的發(fā)展，模塊性能、運算速度、與之對應的功耗、熱量、熱流密度得到不斷增強。統計資料表明，電子元器件溫度每升高2℃，可靠性下降10%，溫升50℃時(shí)的壽命只有溫升25℃時(shí)的1/6。因此溫度是影響設備可靠性的重要因素。

面對高功耗、小體積、輕重量的要求，電子模塊需采用更有效地散熱結構，選用性能更優(yōu)異的散熱材料，提高傳熱效率，保證芯片在可承受的溫度范圍內工作，并滿(mǎn)足使用環(huán)境要求且具有較高的可靠性。這就需要開(kāi)展模塊熱設計方面的高密度組裝技術(shù)研究。

1 模塊設計流程及要求

模塊結構設計在電器系統架構、功能劃分完成后開(kāi)始。首先明確功耗、溫度、振動(dòng)、沖擊等結構相關(guān)技術(shù)指標要求，確定初步結構方案。接著(zhù)提供結構方案圖給電氣進(jìn)行EDA預布局，針對預布局結果開(kāi)展熱、強度等相關(guān)仿真，并根據仿真結論對EDA布局及模塊結構進(jìn)行調整，對結構設計要素進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，幾輪迭代后，完成模塊結構方案設計。重要模塊還需進(jìn)行樣件研制，對樣件進(jìn)行相關(guān)熱測試及仿真對比，同時(shí)根據比對結果對樣件再進(jìn)行優(yōu)化，完成模塊結構設計。

一種符合SEM-D標準的處理器模塊，外形尺寸≤149.4 mm×122.7 mm×24 mm，常溫功耗≤50 W，要求在-55～+70 ℃的環(huán)境下長(cháng)時(shí)間工作。處理器模塊由主、從模塊組成，主、從模塊通過(guò)板間連接器實(shí)現信號互聯(lián)，處理模塊通過(guò)LRM連接器實(shí)現對外的電氣連接。主、從模塊雙面布置元器件，主要采用表貼器件，主、從模塊功耗接近，其均為20～25 W。

2 某模塊結構方案設計

處理器模塊體積小、功耗高、熱環(huán)境惡劣，熱設計原則要求將高功耗器件盡量分散開(kāi)，并盡量靠近熱沉的位置。因模塊厚度尺寸限制，板件連接器高度最大可選擇7 mm，考慮器件高度及導熱界面材料安裝空間，主、從模塊夾縫空間提供散熱能力比殼體和蓋板小，從距熱沉遠近考慮，器件應盡量接近模塊盒體，所以主、從模塊的主散熱面位于板間連接器反面，與殼體接觸。

常規方案選擇上側開(kāi)蓋，如圖1所示。優(yōu)點(diǎn)為印制板布板面積較大，相對其他方案較為成熟，缺點(diǎn)是上蓋板與盒體之間接觸面積小，接觸熱阻大，主模塊散熱路徑較長(cháng)，散熱效果差。改進(jìn)方案是下側開(kāi)蓋，如圖2所示，蓋板與盒體接觸面積大，熱阻較小，主、從模塊散熱效果相當。兩種方案主要差別在于蓋板位置不同導致的接觸熱阻差異。從熱阻接觸公式中可看出，名義接觸面積與熱阻大小直接相關(guān)。

式(1)中R為接觸熱阻;為兩個(gè)接觸面的溫度差;Q為通過(guò)界面熱流;A為界面名義接觸面積。按照經(jīng)驗值對接觸界面賦熱阻值進(jìn)行仿真，結果表明，改進(jìn)方案中CPU芯片溫度比常規方案低2～3℃。同時(shí)將改進(jìn)方案中主、從模塊間墊柱改為一體隔板，增加散熱通路，CPU芯片溫度要比改進(jìn)前低1～2℃，且便于維修，故確定改進(jìn)方案為最終方案。

模塊散熱路徑如圖3所示，具體結構如圖4所示。主、從模塊發(fā)熱元器件通過(guò)柔性導熱材料與盒體、蓋板接觸，中間隔板為主、從模塊提供安裝支撐的同時(shí)，通過(guò)柔性導熱材料與主、從模塊內側非主要散熱器件接觸，隔板兩側靠近鎖緊條邊伸出立耳與盒體接觸，模塊兩側翼耳通過(guò)鎖緊條與插槽連接。蓋板、隔板和盒體接觸面涂覆導熱材料，以降低界面熱阻。所有熱量最終通過(guò)模塊兩側翼耳傳導至機箱熱沉。測試發(fā)現增加隔板散熱通路，可使芯片溫度降低2～3℃，主、從模塊CPU芯片溫差始終控制在1℃以?xún)?，表明主、從模塊散熱通路熱阻均衡，仿真與實(shí)際結果相一致，說(shuō)明改進(jìn)有效。

3 測試優(yōu)化

將處理模塊插入測試機箱，按模塊傳熱路徑分布傳感器，傳感器布置在盡可能接近每個(gè)接觸界面的位置，通過(guò)對每個(gè)接觸界面附近的溫度分析，找出最高環(huán)節溫升值。測量的儀器采用Fluke數據采集系統(2680A)，傳感器采用T型熱電偶，精度為±0.5℃。

主、從模塊上CPU芯片熱流密度最高、有內置溫度傳感器，結溫相差1℃以?xún)?，但從模塊裝配傳感器更方便，所以選擇從模塊CPU芯片內置傳感器溫度為起點(diǎn)，環(huán)境溫度為終點(diǎn)，對溫升路徑進(jìn)行測量，傳感器布局如圖5所示。模塊加電2 h溫度穩定，讀取溫升值，具體數據如表1所示。

注：測量數據僅選取2種柔性導熱材料測量數據;溫差為相鄰兩測量點(diǎn)溫度差

3.1 關(guān)鍵散熱因素優(yōu)化

表1數據得出模塊熱設計環(huán)節影響器件溫升的最主要因素是插槽熱阻。處理模塊采用楔形鎖緊結構，又因鎖緊機構無(wú)法改進(jìn)，故主要從改變插槽界面接觸熱阻方面進(jìn)行。

測量常規導電氧化表面插槽及墊銦箔、石墨、鋁箔插槽及插槽涂抹硅脂5種方式。普通導電氧化表面，模塊插槽處溫升為14～16 ℃。銦箔可將插槽溫升降低至11～12℃，但銦箔較軟且有一定的毒性，在插拔過(guò)程容易產(chǎn)生磨損，需設計專(zhuān)門(mén)的機構保證拔插時(shí)無(wú)法接觸，所以經(jīng)濟性差。石墨耐磨性差且容易碎裂，難以應用于工程。而鋁箔自帶背膠使用方便，可將插槽溫升降低至9～10 ℃，但楔形鎖緊機構力量大，當模塊精度控制不好時(shí)會(huì )造成接觸不良或將背膠擠出。硅脂效果最佳，插槽處溫升下降至8～9℃，但硅脂易造成污染，維護不便。文中通過(guò)分析認為現有工藝條件可通過(guò)提高接觸面表面光潔度、加工精度及插槽裝配面增加鋁箔的方式來(lái)降低插槽熱阻。

3.2 柔性導熱材料選擇

芯片封裝外形有封裝公差，機械零件存在加工誤差，當各類(lèi)組件裝配時(shí)，累計誤差有可能接近0.5 mm。為消除累計誤差，一般在芯片與散熱板之間裝配柔性導熱材料，通過(guò)導熱材料的壓縮來(lái)連接散熱通路。

提高柔性導熱材料的接觸壓力可降低接觸熱阻，但芯片表面所能承受的壓力有嚴格限制，選擇何種導熱材料壓力并不是唯一因素，還需考慮多方面因素，如芯片的熱流密度，導熱材料的導熱系數、彈性模量、成本和可維修性等。

處理模塊面對苛刻的振動(dòng)、沖擊環(huán)境，為降低芯片所承受環(huán)境壓力的影響，應選擇更加柔軟的導熱材料。從可維修性的角度考慮，應采用低接觸應力的導熱材料。一般導熱材料有單面帶背膠和雙面背膠兩種，本文推薦選擇單面背膠材料。

通過(guò)測試導熱系數為3、3.1、5、14、15、17 W/m·K的6種導熱墊材料。從表1中截取測試數據表明，目前熱流密度條件下，器件結溫并不隨著(zhù)導熱墊兩側溫差減小直線(xiàn)下降，單純提高導熱墊導熱系數無(wú)法有效降低芯片溫度，仿真數據同樣證明此現象。分析認為整個(gè)模塊結構的熱阻網(wǎng)絡(luò )復雜，器件結溫高低并不由某個(gè)結構的因素單獨決定，僅提高導熱墊導熱系數，對降低模塊傳熱路徑上的總熱阻貢獻不足，故改善效果并不明顯。

熱流密度3 W/cm2的芯片，導熱系數在7 W/m·K以上的導熱墊可滿(mǎn)足使用要求，由于更高的導熱材料意味著(zhù)較高的經(jīng)濟成本，從經(jīng)濟角度出發(fā)，不能僅提高導熱墊系數，而應從系統的角度出發(fā)進(jìn)行選擇?？紤]芯片管腳受力，處理器模塊最終選擇導熱系數為15W/m·K的導熱材料。

4 結束語(yǔ)

通過(guò)熱仿真、測試迭代優(yōu)化的處理模塊達到了使用要求，且留有余度，為類(lèi)似高密度組裝模塊的熱設計提供了參考。(1)熱仿真應盡早參與結構設計，模塊預布局后即開(kāi)展熱仿真。仿真與測試相結合，進(jìn)行仿真對比方案、尋找改進(jìn)方向、優(yōu)化方案，測試消除仿真誤差，找到設計臨界值，確保產(chǎn)品滿(mǎn)足使用要求。并通過(guò)仿真、測試迭代積累數據，更好的指導設計。(2)影響器件溫升因素眾多，僅提高導熱材料導熱系數的方法并不經(jīng)濟，且降低單個(gè)環(huán)節熱阻也不能明顯降低芯片結溫，只有對整個(gè)散熱通路熱阻控制取得均衡，才可有明顯的改善效果。(3)提高導軌接觸面光潔度、配合精度，增加接觸壓力及界面熱傳遞材料是增強模塊傳熱能力較為經(jīng)濟的選擇。