某高功率導冷模塊散熱設計及測試

陽丁，杜林秀，張永成

（中國電子科技集團公司第二十九研究所，四川 成都 610036）

1 前言

隨著電子設備集成度提高，芯片的熱流密度逐年提升，導致芯片的散熱問題日益嚴重。電子設備中典型功能模塊的散熱方式由風冷散熱、導冷散熱向模塊直接通液散熱方向發展，其中導冷散熱能很好地覆蓋芯片熱功耗在90～220W的散熱需求。由于導冷散熱模塊的三防性能良好，又能避免通液散熱帶來的漏液風險，導冷散熱在模塊散熱領域得到大量應用。

典型導冷模塊的結構如圖1所示，主要由模塊盒體、印制電路、蓋板及鎖緊起拔裝置等組成。印制電路上主要功率芯片通過導熱絕緣墊與模塊盒體的散熱凸臺接觸，芯片的熱量傳導到模塊盒體底板上，模塊盒體再將熱量傳導到盒體兩側的鎖緊邊，最終實現對外散熱。

圖1 典型導冷模塊

導冷模塊盒體的典型材料為防銹鋁5A06-T4，材料導熱系數為150W/(m.℃)，當有高功率器件需要散熱時，導熱潛能不足。近年來，新起的以相變傳熱技術為基礎的均熱板技術能有效提高模塊盒體的導熱性能。

均熱板內部腔體充注有液態相變工質，其在熱源位置吸收熱量后，迅速蒸發擴散至整個腔體，將熱量傳導至冷端，隨后冷凝為液態后通過微通道回流。均熱板相變工質從蒸發到冷凝的過程在真空腔體內快速循環，實現熱量的快速傳導。通常以均熱板技術為基礎制造的模塊盒體，在平行于底面的二維平面上導熱系數能達到2000W/(m.℃)，垂直于均熱板方向上導熱系數約100W/(m.℃)。

本文涉及的高功率導冷模塊應用了前述均熱板技術。該模塊內裝印制電路如圖2所示，其中4塊功耗35W的高功率芯片的殼溫需要控制到65℃內才能滿足電性能要求。模塊總熱耗約為205W，在模塊導熱傳熱熱耗區間90～220W，但處于上限，需經過嚴格的熱學計算、熱仿真及測試后才能進行工程應用。該高功率導冷模塊冷端假設為恒壁溫度42℃，冷端橫臂溫度寬度為7mm、長度為167mm，均熱板厚度為3.3mm。

圖2 印制電路重要器件熱耗

2 理論散熱計算

由傅里葉導熱定理可知：垂直導過等溫的熱流密度正比于該處的溫度梯度，方向與溫度梯度方向相反。導熱方程如式1所示：

式中，q為為熱流密度，單位J/m2；λ為為材料導熱系數，單位W/（m.℃）；T為為溫度場，單位℃。

在x方向上其導熱方程為：

式中，qx與λ均為定值，芯片對應位置中心面上溫度假設為T0，冷端溫度為TL,由此可知溫度差ΔT計算公式如下：

式中，L為為熱傳導路徑長度，單位m；A為為導熱截面積，單位m2；Q為芯片熱量，單位W。

為簡化計算，芯片與盒體之間的接觸熱阻通過設置導熱絕緣墊厚度與導熱系數模擬。假定芯片由于導熱絕緣墊產生的溫升為ΔT1，均熱板z方向的導熱溫升為ΔT2，均熱板在x方向上的導熱溫升為ΔT3.當導熱達到熱平衡后，可知芯片殼體的溫度為：

T=T0+ΔT1+ΔT2+ΔT3（5）

根據式（4）、（5）和圖5，可計算得到芯片殼體溫度T=60.1℃，滿足殼體溫度小于65℃要求，還可計算得到：當均熱板x向導熱系數為1000W/（m.℃）時，芯片殼體溫度72.9℃，不滿足殼體溫度小于65℃要求；當均熱板x向導熱系數為150W/（m.℃）時（等同于均熱板失效時），芯片殼體溫度217.1℃，不滿足殼體溫度小于65℃要求。

根據式（4）定量理論計算可知，均熱板的導熱性能受導熱系數和板厚參數影響較大，即提高均熱板導熱系數或加厚均熱板均可以提高均熱板導熱性能。

3 散熱仿真分析

本文采用熱學仿真軟件FloEFD對均熱板進行導熱仿真計算，熱源如圖2所示，模塊冷端假設為恒壁溫度42℃，建立仿真模型進行數值計算。

散熱仿真結果如圖3所示，芯片處溫度為56.5℃，與理論計算結果60.1℃近似，滿足殼體溫度小于65℃要求。

圖3 均熱板溫度分布圖

假設將高功率芯片功耗提升到50W，在與前述邊界條件一致情況下，熱仿真計算結果如圖4所示，芯片殼體溫度為58.7℃，相較功率芯片35W時計算結果變化較小。假設將高功率芯片功耗提升到50W，且將均熱板x，y向導熱系數分別變為1000W/（m.℃）,150W/（m.℃）兩種情況下，芯片殼體溫度分別為65.9℃，112.7℃，不滿足殼體溫度小于65℃要求。

圖4 均熱板溫度分布圖

上述仿真結果表明，高功率導冷模塊散熱的關鍵在于提高均熱板的導熱系數。

4 散熱實驗驗證

在圖2所示印制電路中4塊35W芯片附近布置溫度測試點，高功率導冷模塊均熱板專用熱測試工裝如圖5所示，熱臺導熱邊實測溫度約為44℃，均熱板熱測試結果見表1，抽樣測試結果表明，此批次均熱板性能滿足要求。

圖5 均熱板熱測試工裝

表1 均熱板抽樣溫度測試結果

5 結語

高功率導冷模塊采用均熱板技術實現散熱，其中均熱板可通過理論初步設計、仿真、實物測試、故障暴露及分析、優化、再驗證和生產抽檢等步驟實現。均熱板作為關鍵部件，必須重點關注，并進行多件試制和實驗。本文提到的利用簡化傳熱模型估算均熱板散熱能力的方法便于工程設計人員在工程設計初期對均熱板散熱能力進行評估。