高性能CPCIe總線主模塊散熱熱管設計與分析

徐國強

(江蘇自動化研究所，連云港 222006)

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高性能CPCIe總線主模塊散熱熱管設計與分析

徐國強

(江蘇自動化研究所，連云港 222006)

隨著抗惡劣環境計算機技術的發展，計算機性能提高的同時對散熱的要求也越來越高。傳統的冷板被動散熱方式已無法滿足高性能模塊的散熱需求，因此，熱管技術急需應用到抗惡劣環境計算機系統中。將熱管技術與高性能緊湊型外設部件互連(快速)(CPCIe)、高性能計算架構設計技術相結合，提出了一種CPCIe主模塊熱管散熱技術，并對其進行理論分析、設計和試驗驗證。該技術已成功應用，經測試能夠有效提高主模塊的散熱性能。

高性能；散熱；緊湊型外設部件互連(快速)；熱管

0 引 言

在抗惡劣環境計算機技術快速發展的背景下，抗惡劣環境計算機模塊的處理性能和處理速度等相關指標獲得了很大的提升，在傳統緊湊型外設部件互連(CPCI)總線架構下，隨著模塊本身處理能力的逐步提高，32位/33 MHz的CPCI總線的傳輸帶寬只有132 MB/s，模塊間通信帶寬的瓶頸大大制約了抗惡劣環境計算機的性能。

隨著商用外設部件互連(快速)(PCIe)總線和緊湊型外設部件互連(快速)(CPCIe)總線技術的逐漸普及，近幾年在抗惡劣環境計算機領域，該類型高速串行總線技術也逐步獲得了大量的研發和應用研究，在印制板上信號的傳輸速率達到2.5 Gbps以上，相比之前的CPCI規范的傳統加固計算機，其系統內信號速度有了很大的提升，大大緩解了系統的信號傳輸帶寬壓力[1-2]。

隨著電子技術的迅猛發展，處理器單位面積的計算性能也提高很快，其頻率和處理速度的提高以及集成電路的密集和小型化帶來電子元件在單位空間內的發熱量指標迅猛增長。電子器件一般均有一個正常的工作溫度范圍，超過這個范圍，元件性能將顯著下降，不能穩定工作，因而也影響系統運行的可靠性。研究資料表明，半導體元件溫度每升高10℃，系統的可靠性指標降低50%[3]。

電子技術的發展需要良好的散熱手段來保證。這種散熱手段要求保證計算機產品的可靠性、維修性、測試性等6項指標不斷提高，熱管技術因而比傳統的傳導散熱和風冷等技術擁有更好的優勢。國內外已有大量的對熱管技術的研究和應用驗證工作，該技術已成熟應用于嵌入式電子產品相關的需要高散熱效率的產品領域。在抗惡劣環境計算機領域，熱管散熱設計技術也已逐步成為重點工程應用技術，還需要進一步的研究以加強該項技術的成熟度。

1 熱管散熱原理

熱管的基本工作原理如圖1所示。典型的熱管由3個部分組成：管殼、吸液芯和端蓋[4]。管的兩端分別為蒸發段和冷凝段，熱管中間位置為絕熱段[5]。當熱管的一端受熱時，熱管內部液體蒸發汽化，由于熱管蒸發段的汽體受到氣壓差驅動，熱量通過蒸汽流完成轉移，隨著蒸汽在冷凝端的液化，熱量也得到釋放。在此循環機制下，熱量在熱管兩端之間獲得了平衡。

圖1 熱管基本原理圖

從熱管的結構和工作原理可知，熱管具有很高的導熱性、優良的等溫性和熱密度可變性，因此具有良好的環境適應性。憑借優異的特性及其制造工藝的逐步改良和完善，熱管技術已逐步應用于宇航和軍工領域。因此，在抗惡劣環境計算機產品的應用領域，由于其性能提升帶來的散熱需求，熱管技術的應用和工程化將很好地解決了此類問題。

2 基于CPCIe模塊的散熱熱管理論分析與設計

如圖2所示，參考Compact PCI Express標準中6U模塊散熱蓋板的設計規范，本文開展了在加固CPCIe模塊蓋板上加裝散熱熱管的分析和設計等工作，CPCIe總線模塊上大發熱量芯片(如處理器等)的熱量傳導至模塊的加固蓋板上，蓋板上加裝的熱管將熱量傳導至模塊蓋板兩側與機箱壁貼合的導熱截面上，相比于傳統散熱蓋板的散熱技術，大大提升了散熱效率。

圖2 加固CPCIe模塊的熱管傳導散熱示意圖

熱阻是對散熱通道上各散熱器件散熱性能的定量指標[6]，本文開展工作主要參考標準6U模塊尺寸，針對物體持續傳熱功率以每單位(W)功率變化時，導熱路徑兩端所產生的溫差指標開展研究和驗證，單位為℃/W。熱阻越大，熱傳導性能越差，在一定的環境溫度和主板功率條件下，熱阻小的傳導路徑會讓主板各芯片表面溫度很好地傳到芯片的散熱器件外部，保證芯片表面溫度更低，可以更加穩定地發揮其性能。主模塊熱量傳導的橫截面示意如圖3所示，CPU的發熱量通過導熱膠墊傳導給蓋板，再通過導熱膠傳導給熱管，最后通過蓋板和熱管一起將熱量傳導至機箱壁。

圖3 基于熱管的傳導散熱橫截面示意圖

主模塊的蓋板為鋁蓋板，模塊上各芯片(以CPU處理器為主)的熱量通過圖4所示路徑傳至機箱壁，將會遇到各種熱阻，其過程可用電模擬的方法進行分析。

圖4 基于熱管的傳導散熱等效熱阻布局示意圖

針對以上設計，忽略散熱環節之間空氣間隙的導熱和輻射因素，結合熱阻計算理論如下：

(1) 主模塊中處理器和蓋板之間導熱膠墊的熱阻計算因素包括：處理器及其相鄰蓋板之間的導熱膠墊的尺寸為21 mm×10 mm×1 mm，導熱膠墊的導熱系數K=15 W/(m·℃)；

(2) 模塊蓋板為鋁材質，鋁材料的導熱系數K=204 W/(m·℃)；

(3) 熱管根據結構設計分為并聯式的2個散熱通道，通道1的等效面積為120 mm2，通道2的等效面積為360 mm2，且各自分為加熱段和冷凝段，熱管的導熱系數K=399 W/(m·℃)；

(4) 熱管與鋁蓋板之間采用高效能導熱膠粘結，其散熱等效面積與通道1和通道2的熱管散熱面積一致，導熱膠的導熱系數K=4 W/(m·℃)。

圖4中Rxg為芯片和鋁蓋板之間導熱膠墊的熱阻；R1g為鋁蓋板的熱阻；Rrg為熱管的熱阻；Rrj為熱管與鋁蓋板之間導熱膠的熱阻。

根據Rt=δ/KA[1]以及熱管散熱計算機公式計算得：

芯片和鋁蓋板之間導熱膠墊的熱阻:Rxg=0.317 4℃/W。

鋁蓋板的熱阻:R1g=19.964 1×10-3℃/W。

熱管通道1的熱阻Rrg1和通道2的熱阻Rrg2經計算得出:Rrg1=0.041 8℃/W，Rrg2=0.013 9℃/W。

導熱膠的熱阻:Rrj=0.14 ℃/W。

在基于熱管的CPCIe散熱機箱中，主模塊芯片的熱傳導途徑中總熱阻為:

與傳統以及常用的只用導熱蓋板設計方式、其熱阻在2～2.5 ℃/W左右相比，該種新型熱管散熱技術理論上將大大提高主模塊大功率散熱器件的散熱效果。

3 實際測試結果與分析

在設計和理論分析的基礎上，首先在傳統加固模塊安裝蓋板后放置在標準抗惡劣環境482.6m計算機機箱中進行溫度試驗驗證，之后在傳統加固蓋板的基礎上設計集成了散熱熱管進行試驗驗證對比。

散熱模塊熱設計受蓋板加工精度、器件焊接誤差、器件承受壓力極限、維修性等條件限制，在一定壓力的條件下(器件承受壓力極限)，蓋板與發熱器件之間的導熱膠墊需要有一定的變形量來包容各種誤差，以達到傳熱效果。

表1 傳統散熱方式下加固計算機主板溫升測試數據表

國內外導熱膠墊種類很多，受導熱膠墊填充材料材質和制作工藝限制，目前合適的柔性導熱膠墊的最佳導熱系數僅為K=12W/(m·K)左右，約為模塊蓋板材料的6.5%，因此發熱器件與蓋板安裝預留間隙對發熱器件至蓋板等效熱阻影響很大。

為了減小發熱器件至蓋板的等效熱阻，一方面選擇新型柔性導熱膠墊，標稱導熱系數12W/(m·K)；另一方面在柔性導熱膠墊壓縮量、器件承受壓力允許的條件下，盡量減小發熱器件與蓋板安裝預留間隙，在工藝控制允許的前提下，間隙指標控制在1mm以內,將大大提高散熱通道上的熱阻。

圖5 主板熱管蓋板實物示意圖

蓋板段導熱優化采用中溫燒結型熱管。燒結型熱管能克服一定高度的重力作用，穩定可靠，導熱性能高，等效導熱能力至少是同形狀鋁板2A12(H112)的10倍以上，在導熱功率30～60W時，熱端與冷端的溫差一般不大于5℃。

采取相同的試驗驗證方式，與傳統散熱方式的指標對比，試驗結果表明，通過加裝熱管完成優化后的模塊散熱蓋板，在蓋板內側CPU發熱點和外側熱管之間的溫差由原來的24℃以上降低至18℃左右，大大改善了模塊蓋板在CPU附近到模塊蓋板邊緣之間的導熱性能，因此具有更好的散熱效果。

4 結束語

該新型技術已應用于某型號CPCIe總線架構抗惡劣環境計算機主模塊的蓋板設計和應用中，在大大提高計算機性能和發熱量的同時，該新型熱管在實測過程中其熱阻不大于1～1.5 ℃/W，而傳統以及常用的熱阻在2～2.5 ℃/W左右，顯然，在加固CPCIe機箱中采用基于熱管的散熱方法明顯降低了CPCIe主模塊芯片的熱傳導熱阻，大大加強了主模塊對外的散熱性能，解決了密封機箱的高性能模塊的高功耗散熱問題，同時，該項技術也能夠應用于類似多協議交換(VPX)等各種通信帶寬要求高、發熱量大等需要提高散熱效率的系統應用中。

[1] 孟會，劉雪峰.PCIExpress總線技術分析[J].計算機工程，2006,32(23):253-258.

[2] 屈濤.抗惡劣環境CompactPCI-Express計算機實現技術[C]//中國計算機協會抗惡劣環境計算機委員會.全國抗惡劣環境計算機第二十屆學術年會論文集，2010:264-270.

[3] 楊家堅，莫郁微.電子設備可靠性預計技術的應用[J]．電子質量，2000(2):27-30.

[4] 黃慶.熱管用于筆記本電腦散熱的研究[D].南京:東南大學,2005.

[5] 張明.高性能平板熱管均熱器的研發及其傳熱特性的研究[D].北京:北京工業大學,2009.

[6] 邱海平.電子元器件及儀器的熱控制技術[M].北京:電子工業出版社，1991.

Design and Analysis of Heat Pipe Applied to High Performance Main Module of CPCIe Bus

XU Guo-qiang

(Jiangsu Automation Research Institution,Lianyungang 222006,China)

With the development of computer technology against abominable environment,the computer performance is improved,at the same time the demand of heat dissipation to computer becomes higher and higher.Traditional passive heat dissipation mode of cooling board can not satisfy the cooling demand of high performance computing modules,so heat pipe technology is in dire need of applying to the computer system against abominable environment.This article combines the heat pipe technology with compact peripheral component interconnect express (CPCIe) & high performance computing architecture design technology，presents a heat dissipation technology of heat pipe for high performance CPCIe main module,and performs theoretical analysis,design and test validation.The technology has been applied successfully,and the test proves that it can improve the heat dissipation performance of main module effectively.

high performance；heat dissipation；compact peripheral component interconnect express；heat pipe

2016-03-24

TM2;TP3

A

CN32-1413(2016)03-0086-04

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.03.022