一種嵌入式高效傳導散熱模塊結構設計

孫其英

（中國電子科技集團公司第十研究所，成都 610036）

引言

現場可更換模塊（簡稱LRM，Line Replaceable Module）是航空機載產品基本的獨立功能單元[1]。隨著模塊內部芯片功能高度集成和體積不斷小型化的設計趨勢，高熱流密度的芯片在逐漸增多。高溫會導致電子元器件失效，進而引起整個模塊的失效[2]。為避免模塊因散熱問題而引起的失效風險，提供高熱流密度芯片的散熱效率已成為模塊熱控設計的關鍵技術之一。

模塊熱控設計的基本任務是在熱源和熱沉之間提供一條低熱阻的通道，保證熱量迅速傳遞出去，以便滿足可靠性要求[3]。根據散熱方式不同，模塊分為三類：傳導冷卻模塊，穿通液冷模塊和強迫風冷模塊。傳導冷卻模塊主要靠兩側的肋條將內部熱量傳導到機架冷板，具體傳熱路徑如圖1所示。模塊楔形鎖緊機構的綜合熱阻由模塊的對外安裝接口要求決定，當芯片和導熱襯墊選定后，結殼熱阻和導熱襯墊傳導熱阻已確定。導熱襯墊的接觸熱阻則可以通過調整發熱芯片與結構件對應安裝面的間隙來優化。因此，提高發熱芯片到機架冷板的傳熱效率應考慮降低模塊結構件自身的傳導熱阻。

圖1 傳導冷卻模塊一般傳熱路徑

銅具有良好的導熱性，模塊內部通過局部嵌銅設計，使芯片熱量直接由銅塊傳導到機架冷板，可以降低發熱芯片在模塊內部的傳導熱阻。同時銅具有良好的穩定性，可以滿足模塊設計的可靠性和批次一致性要求。

1 模塊熱設計方案

1.1 設計參數

某LRM模塊總熱耗70 W，安裝在一液冷機架上，根據設計經驗采用傳導冷卻能夠滿足該模塊的散熱需求。但該模塊內部存在一個高熱流密度的發熱芯片，該芯片熱耗35 W，尺寸37 mm×37 mm，局部熱流密度為2.6 w/cm2。根據導熱基本定律公式（1）[4]，單位時間內通過一定面積的傳熱量（Φ）跟材料的導熱系數（k）成正比。普通模塊使用的防銹鋁5A06導熱系數為117 W/（m.k），導熱性能較好的鋁合金6063導熱系數為201 W/（m.k），純銅導熱系數401 W/（m.k）。由此可見，相同熱量通過相同截面積（A）的導熱塊，采用銅塊可比鋁合金理論上導熱效率提升近一倍。

該模塊的結構形式如圖2所示，發熱芯片位于模塊中冷板中間偏右，冷板左側因需要給子卡連接器讓位，開了兩個較大的矩形腔，基本切斷了發熱芯片到模塊左側肋條的傳熱路徑，芯片熱量主要由模塊右側肋條導出。因此，在進行模塊的熱設計時，主要考慮降低發熱芯片到模塊右側肋條的傳導熱阻。

圖2 模塊冷板結構示意

1.2 仿真分析

為驗證嵌銅冷板設計能否滿足模塊處于最大功率工作狀態和最高環境溫度時可以正常工作，同時跟鋁冷板傳熱效果進行對比，分別對鋁冷板和銅冷板模塊設計進行了熱仿真分析。仿真計算條件：環境溫度+65 ℃，機架冷板邊界溫度為+52 ℃，模塊楔形鎖緊機構的綜合接觸熱阻0.3 ℃/W。

根據鋁冷板模塊仿真計算結果（圖3）得出，該發熱芯片（D9）高溫工作時最高殼溫Tc=119 ℃，芯片結殼熱阻Rjc=0.34 ℃/W，根據器件結溫計算公式：Tj=Tc+P*Rjc[5]，得出該芯片高溫工作時結溫Tj=119+35*0.34=130.9（℃），已超出芯片115 ℃最高結溫工作要求。

圖3 鋁冷板熱仿真圖片

根據銅冷板模塊仿真計算結果（圖4）得出，該發熱芯片（D9）高溫工作時最高殼溫Tc=96.5 ℃，芯片結殼熱阻Rjc=0.34 ℃/W，計算出該芯片高溫工作時結溫Tj=96.5+35*0.34=108.4（℃），滿足芯片115 ℃最高結溫工作要求。

圖4 銅冷板熱仿真圖片

2 模塊嵌銅結構設計

模塊中增加銅冷板設計可以通過焊接或鑄造的方式實現。由于發熱芯片跟肋條散熱接觸面分別位于模塊冷板兩側，受焊接安裝形式的限制，如圖5所示，銅塊只能安裝在模塊肋條的鎖緊條安裝面，不能直接跟機架冷板接觸，從而使發熱芯片傳熱路徑中增加了銅塊到模塊肋條的接觸熱阻和鋁肋條自身的傳導熱阻，焊接銅冷板傳熱路徑如圖6所示。

圖5 焊接銅冷板結構示意

圖6 焊接銅冷板傳熱路徑

基于石膏熔模鑄造的加工工藝特點，銅塊的構型不受安裝界面的限制，考慮通過鑄造的形式實現模塊嵌銅設計。預先將設計好的導熱銅塊埋進模塊盒體的鑄造模具，鑄造出盒體的粗毛坯，然后根據盒體尺寸要求進行精加工，以確保銅塊肋條與盒體肋條的共面精度。在銅塊肋條端和模塊肋條處設計一共用安裝孔，當鎖緊條鎖緊時，銅塊肋條即可跟機架冷板插槽良好接觸。為提高模塊內部導熱銅塊嵌件的鑄造強度，導熱銅塊周圍設計了多個矩形凸臺，增加了導熱銅塊和鋁合金基體的接觸面積，導熱銅塊構型如圖7所示。銅塊可以將芯片熱量直接傳導到機架冷板，充分利用了銅塊高傳熱性能，最大程度地降低了發熱芯片到機架冷板的傳導熱阻，鑄造銅冷板傳熱路徑如圖8所示。

圖7 導熱銅塊示意

圖8 鑄造銅冷板傳熱路徑

為實現導熱銅塊嵌件和肋條的一體化設計，導熱銅塊位置的模塊側壁部分都由銅塊嵌件一體成型，在實際使用過程中發現，由于模塊側壁僅1.5 mm厚，銅塊側壁跟模塊鋁合金基體側壁的接觸面積過窄，容易造成欠鑄。為進一步優化導熱銅塊嵌件構型，取消了銅塊側壁設計，該部分側壁直接用鋁合金鑄造成型，如圖9所示，解決了側壁欠鑄問題，同時由于側壁是由鋁合金鑄造一體成型，提高了模塊鑄造的可靠性。

圖9 局部鑄銅盒體示意

熔模鑄造首先是在模具中灌注金屬熔液，等金屬熔液冷卻后，即可鑄造出所需形狀的零件[6]。由于在灌注過程中，金屬是熔融狀態，銅塊嵌件已提前放入鑄造模具，如果銅塊不采取定位措施，在金屬熔液灌注過程中，銅塊嵌件很容易發生偏移。因此銅塊嵌件設計了兩處定位柱，如圖10所示，使銅塊可以準確固定在模具的對應位置，防止鑄造過程中的位置偏移。

圖10 導熱銅塊定位柱示意

3 試驗驗證

為驗證嵌銅冷板的散熱效果，對鋁合金冷板和銅冷板模塊在相同條件下進行試驗比測。模塊測試點分布如圖11所示。

圖11 模塊測試點分布

在相同室溫（26 ℃）和通液條件下（20 ℃，16 L/min）測得表 1的試驗數據。從測試結果看出，在常溫工作環境溫度下，當模塊達到溫度穩定時，鋁合金冷板的發熱芯片殼溫（表 1中A6溫度）為84.3 ℃，銅合金冷板的發熱芯片殼溫為60.8 ℃，銅冷板比鋁合金冷板芯片殼溫降低了23.5 ℃，溫升從鋁合金的45.3 ℃降低到22.8 ℃，降低了近50 %。由模塊芯片溫度（表 1中A6）和右側肋條溫度（表 1中A2），取右側肋條傳熱量為Φ=30 W，計算冷板熱阻R=（TA6-TA1）/W，可得鋁合金冷板熱阻R=（84.3-28.3）/30=1.86（℃/W），銅冷板熱阻R=（60.8-29.6）/30=1.04（℃/W），銅冷板熱阻較鋁合金熱阻降低了近50 %。同時經工程驗證，嵌銅冷板模塊已順利通過高溫工作和高溫存儲試驗，并已在工程項目中正常使用，嵌銅冷板設計可以滿足模塊熱設計要求。

表1 銅板冷板溫度檢測

4 結束語

嵌入式銅冷板設計最大程度地簡化了模塊內部發熱芯片的傳熱路徑，提高了傳熱效率。同時可以實現導熱銅塊和鋁合金基體的緊密貼合，進一步減少了中間傳導熱阻，為高熱芯片提供了一條低熱阻通道。銅塊鑄造具有較高的穩定性和批次一致性，保證了模塊熱設計的可靠性，該模塊散熱問題的有效解決保證了系統性能的穩定運行。量產后，鑄造模具具有重復使用的特性，可以降低加工周期和成本，經驗證該嵌入式冷板設計適用于傳導冷卻模塊的工程應用。