基于“三化” 要求的嵌入式高導熱冷板設計技術研究

王永峰， 羅先培

（1.連云港軍澤機電科技有限公司， 江蘇連云港 222006； 2.上海船舶電子設備研究所， 上海 201108）

0 引言

隨著科技的發(fā)展，對電子設備多功能性需求的提升，要求體積越來越小、集成化程度越來越高，運算頻率和運算速度越來越高，導致電子設備的發(fā)熱量急劇升高，對工作效率帶來一定的影響[1]。 李健等[2]為了有效解決電路芯片熱量過高和溫度分布不均勻的問題， 結合熱管強化傳熱技術與冷板強化散熱技術的優(yōu)點， 研制了基于航空電子設備元器件安裝空間尺寸的熱管冷板散熱裝置。 曾樂業(yè)等[3]為解決電子設備高熱流密度芯片散熱問題，建立了主板模塊傳導冷卻的熱阻網(wǎng)絡， 設計研制了一種低熱阻結構的熱管冷板， 并對兩種熱管冷板在不同熱流密度條件下進行模塊及整機的常溫和高溫試驗。 對功率模塊的散熱問題，王裴[4]提出了平板熱管風冷和水冷板兩種散熱方式， 利用實驗及數(shù)值模擬手段對這兩種形式的散熱器散熱性能進行了研究， 為功率模塊的散熱系統(tǒng)優(yōu)化設計提供了理論支持。 白洋[5]以標準插箱冷板為研究對象，以輕量化結構的熱機耦合模型建立和求解為方向， 研究了基于熱機耦合分析的機箱冷板輕量化設計。 任童等[6]利用計算流體力學方法對某機載電子設備用氣冷冷板進行了傳熱模擬，通過改變入口速度以及冷空氣的流動方式，得到不同工況下氣冷冷板各位置的溫度分布和工作性能。沈彤等[7]針對某電源模塊出現(xiàn)的局部熱流密度過高的問題， 提出了對蛇形流道為主與局部翅片小通道相結合的冷板進行重新結構設計與優(yōu)化。 劉動良等[8]針對鋁制板翅式電子冷板加工過程進行詳細論述，從清洗、裝配、真空釬焊等關鍵工序方面介紹了其對冷板質量的影響因素，提出了相應的工藝措施。

1 基于嵌入式結構的電子設備冷板設計及成型方法

1.1 冷板的嵌入式結構設計方法

本文設計了一種嵌入式結構的高導熱電子設備冷板，包括冷板主體、均熱板、蓋板，其爆炸圖如圖1 所示。其中， 蓋板采用具有較強綜合性能鋁合金材料機加工成型，均熱板2 和蓋板3 嵌入冷板主體1，采用低溫三面搭接回流焊方式將三個部件成型一體。

圖1 嵌入式結構高導熱冷板爆炸圖

冷板主體， 是嵌入組合式高導熱冷板的主體部分， 可包括和發(fā)熱電子器件相接觸的第一熱交換面凸臺、 和機箱配合的結構要素以及適合嵌入均熱板與蓋板的凹槽。 凹槽根據(jù)電子部件熱量傳導路徑特點采用“門”字型形式。 冷板主體的物理形態(tài)采用導熱性能好、質量輕的鋁合金材料經(jīng)機械加工成型。

均熱板，是嵌入組合式高導熱冷板的關鍵部分，包括銅質外殼、毛細結構和相變介質。均熱板的局部受熱時腔體內的介質（液體）蒸發(fā)汽化，蒸汽在的壓力差下流向壓力小的其它冷端區(qū)域， 過程中釋放出熱量，凝結成液體，液體在腔體內靠毛細力的作用流回蒸發(fā)部位，如此循環(huán)下去，熱量由熱集中區(qū)傳至冷端區(qū)域，實現(xiàn)高效熱傳導。 將均熱板和冷板主體低熱阻、高可靠焊接成型一體，有效提升冷板的熱傳導性能。設計的超薄均熱板，可實現(xiàn)冷板超薄化，和傳統(tǒng)冷板相比較，體積不增加。 本設計將高導熱效能均熱板與傳統(tǒng)鋁合金冷板相組合，可實現(xiàn)均溫板的標準化，降低作為新型材料的均溫板生產成本，具有標準化、低成本等優(yōu)勢。

圖2 高導熱冷板組合圖

1.2 采用回流焊接工藝的嵌入式冷板成型方法

基于上述的嵌入式方法設計的冷板， 在生產成型方面需要解決銅鋁材質零件的低熱值可靠聯(lián)接的問題。 銅和鋁的焊接比較困難，由于二者物理特性相差懸殊，其熔點相差達423℃很難同時熔化。高溫環(huán)境中鋁的氧化性能強，所以必須采取措施，防止氧化去除熔池中氧化物，為了使焊接質量得到控制，所以必須采取特殊的工藝方法，即在銅工件和鋁的焊接表面鍍一層介質過渡， 通過介質把兩種材質牢固的結合在一起。

本文結合回流焊的優(yōu)勢， 首次將元器件的回流焊接工藝應用到銅鋁復合材質零件的低熱阻可靠固聯(lián)中，圖3 為產品生產工藝流程圖， 圖4 為回流焊接工藝生產流程圖。通過不同系列冷板焊接試驗證明，回流焊工藝方法可實現(xiàn)嵌入式冷板不同材質組件之間的低熱阻聯(lián)接。

圖3 生產工藝流程圖

圖4 回流焊接工藝流程圖

2 電子設備冷板“三化”設計

“三化”指標準化、模塊化、系列化，是現(xiàn)代設計基本方法，對電子設備冷板進行“三化”設計，可達到降低產品的研發(fā)成本、研制周期得以縮短、產品的可靠性得到提升的目的。

冷板需要對不同類型板卡、不同元器件種類、不同元器件布局的電子設備模塊進行散熱， 導致冷板的種類繁多，都采用定制化方式，“三化”設計水平不高。 但是通過上述嵌入式冷板的設計及成型方法，按照“三化”設計要求，可以將高導熱冷板拆分為冷板主體、均熱板及蓋板三個部分，見圖5，其中處于夾芯位置的均熱板是生產工藝最為復雜、 質量控制要求最高、 生產成本占比最高的部件，因此，做好均熱板的“三化”設計工作，就可以較大程度上解決電子設備冷板的“三化”設計問題，達到縮短生產周期、降低生產陳本的目標。

圖5 “三化”設計前后冷板對比圖

2.1 標準化設計

目前，軍用電子設備模塊功能各異、元器件組成各不相同， 但是基本都遵循了IEC60297-3、 IEC60297-4、IEEE1101.10 以及VITA48 定義的歐式板卡外形，主要包括3U、6U、8U 尺寸。

標準化設計是在互相獨立的系統(tǒng)中， 最大限度地實現(xiàn)功能互換和尺寸互換的功能單元使用范圍。 本文介紹的嵌入式結構高導熱冷板， 將關鍵的夾心層-即均熱板，按照3U、6U、8U 尺寸標準進行標準化設計， 使同一板卡系列的均熱板能夠在不同功能模塊進行功能互換和尺寸互換，如6U 尺寸系列的均熱板可以在不同功能、不同散熱需求的6U 嵌入式冷板間兼容性使用，盡可能實現(xiàn)冷板的標準化設計。

2.2 模塊化設計

模塊化設計是對一定范圍內的不同產品進行功能分析和分解，劃分并設計、生產出一系列通用模塊或標準模塊，然后，從這些模塊中選取相應的模塊并補充新設計的專用模塊和零部件一起進行相應的組合， 以構成滿足各種不同需要的產品。 本文將散熱冷板拆分成冷板、 均熱板、蓋板三個模塊，為“標準化”、“系列化”設計提供基礎。

2.3 系列化設計

系列化設計是根據(jù)同一類產品的發(fā)展規(guī)律和使用需求，將其性能參數(shù)按一定數(shù)列作合理安排和規(guī)劃，并且對其型式和結構進行規(guī)定或統(tǒng)一，從而有目的地指導同類產品發(fā)展。本文介紹的嵌入式冷板按照3U、6U、8U尺寸的歐式板卡系列，設計了系列化的均熱板，系列尺寸見圖6 及表1。

表1 均熱板尺寸系列表（單位：mm）

圖6 均熱板尺寸圖

3 基于嵌入式結構的電子設備冷板的均溫性能測試

為了對上述基于“三化”設計的嵌入式冷板導熱性能進行驗證，本文6U 嵌入式冷板為例對其均溫性能進行測試，將測試結果與非嵌入式高導熱均溫冷板進行對比，以此來驗證基于“三化”設計的嵌入式冷板的導熱性能。

3.1 驗證測試環(huán)境的搭建

（1）將6U 嵌入式冷板及非嵌入式高導熱均溫冷板分別在完全相同配置的兩塊某高功耗服務器主板上， 并將兩塊主板同時布防于同一計算機機箱內。

（2）將溫度傳感器探頭貼于如圖7、圖8 所示的位置，用于實時讀取相應位置的溫度值。

圖7 冷板正面測點示意圖

圖8 冷板反面測點示意圖

（3）將兩塊主板同時運行，并運行BurnInTest 程序，使服務器主板功耗達到最大值。

（4）通過AIDA64 軟件實時讀取兩塊冷板相應位置的溫度讀數(shù)，待讀數(shù)穩(wěn)定后，記錄相應數(shù)值。

3.2 驗證測試數(shù)據(jù)

試驗環(huán)境溫度：19℃。 當兩塊服務器主板達到熱平衡后，讀取兩種冷板各測試點的溫度，并計入表2。

表2 各測點溫度（單位:℃）

3.3 測試數(shù)據(jù)分析與討論

將冷板主要傳熱路徑的溫度梯度是衡量高導熱冷板的重要參數(shù)之一，該服務器主板冷板的主要傳熱路徑如圖9 所示，最大發(fā)熱源為處理器芯片， 熱量從處理器芯片對應凸臺向冷板的兩側（B 點和C 點）擴散，處理器芯片對應凸臺對應的測試點為A 點。

圖9 冷板主要傳熱路徑示意圖

整理表2 的數(shù)據(jù)， 可以獲得兩塊服務器冷板主要傳熱路徑的溫度梯度，具體見表3 所示。

表3 熱主要傳導路徑的溫度梯度（單位：℃）

從表3 中的數(shù)據(jù)可以看出， 嵌入式導熱冷板與非嵌入式導熱冷板的溫度梯度基本一致，同時，處理器凸臺溫度（即A 點溫度）與環(huán)境溫度之間的溫度差為22℃，滿足主板散熱指標要求。

通過上述試驗測試、數(shù)據(jù)分析和討論，基于“三化”設計的嵌入式均溫板導熱冷板的散熱性能滿足散熱指標要求，可應用于高功耗電子設備散熱中。

4 結束語

本文基于 “三化” 標準設計了一種組合式高導熱冷板，采用低溫錫焊實現(xiàn)銅鋁不同界面材料高可靠、低熱阻的聯(lián)接。相比較傳統(tǒng)非組合式高導熱冷板相比，所設計的組合式高導熱冷板，可實現(xiàn)均熱板的標準化生產，更好的控制、降低生產成本，縮短加工周期，同時，通過典型模塊的對比試驗證明組合式導熱冷板的均溫性能不下降，可滿足抗惡劣環(huán)境電子設備的高效散熱需求， 為軍用電子設備高導熱冷板的實現(xiàn)方式提供一種新的思路。