某高密度組裝模塊的熱設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

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

模塊是電子設(shè)備的基本組成部件，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，模塊性能、運(yùn)算速度、與之對應(yīng)的功耗、熱量、熱流密度得到不斷增強(qiáng)。統(tǒng)計(jì)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(shè)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(jié)構(gòu)，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(nèi)工作，并滿足使用環(huán)境要求且具有較高的可靠性。這就需要開展模塊熱設(shè)計(jì)方面的高密度組裝技術(shù)研究。

1 模塊設(shè)計(jì)流程及要求

模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在電器系統(tǒng)架構(gòu)、功能劃分完成后開始。首先明確功耗、溫度、振動(dòng)、沖擊等結(jié)構(gòu)相關(guān)技術(shù)指標(biāo)要求，確定初步結(jié)構(gòu)方案。接著提供結(jié)構(gòu)方案圖給電氣進(jìn)行EDA預(yù)布局，針對預(yù)布局結(jié)果開展熱、強(qiáng)度等相關(guān)仿真，并根據(jù)仿真結(jié)論對EDA布局及模塊結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要素進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，幾輪迭代后，完成模塊結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)。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(jù)比對結(jié)果對樣件再進(jìn)行優(yōu)化，完成模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

一種符合SEM-D標(biāo)準(zhǔn)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)境下長時(shí)間工作。處理器模塊由主、從模塊組成，主、從模塊通過板間連接器實(shí)現(xiàn)信號(hào)互聯(lián)，處理模塊通過LRM連接器實(shí)現(xiàn)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(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

處理器模塊體積小、功耗高、熱環(huán)境惡劣，熱設(shè)計(jì)原則要求將高功耗器件盡量分散開，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(dǎo)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(yuǎn)近考慮，器件應(yīng)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(guī)方案選擇上側(cè)開蓋，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，散熱效果差。改進(jìn)方案是下側(cè)開蓋，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(dāng)。兩種方案主要差別在于蓋板位置不同導(dǎo)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為通過界面熱流;A為界面名義接觸面積。按照經(jīng)驗(yàn)值對接觸界面賦熱阻值進(jìn)行仿真，結(jié)果表明，改進(jìn)方案中CPU芯片溫度比常規(guī)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(jié)構(gòu)如圖4所示。主、從模塊發(fā)熱元器件通過柔性導(dǎo)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)，通過柔性導(dǎo)熱材料與主、從模塊內(nèi)側(cè)非主要散熱器件接觸，隔板兩側(cè)靠近鎖緊條邊伸出立耳與盒體接觸，模塊兩側(cè)翼耳通過鎖緊條與插槽連接。蓋板、隔板和盒體接觸面涂覆導(dǎo)熱材料，以降低界面熱阻。所有熱量最終通過模塊兩側(cè)翼耳傳導(dǎo)至機(jī)箱熱沉。測試發(fā)現(xiàn)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℃以內(nèi)，表明主、從模塊散熱通路熱阻均衡，仿真與實(shí)際結(jié)果相一致，說明改進(jìn)有效。

3 測試優(yōu)化

將處理模塊插入測試機(jī)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，通過對每個(gè)接觸界面附近的溫度分析，找出最高環(huán)節(jié)溫升值。測量的儀器采用Fluke數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(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(nèi)置溫度傳感器，結(jié)溫相差1℃以內(nèi)，但從模塊裝配傳感器更方便，所以選擇從模塊CPU芯片內(nèi)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(wěn)定，讀取溫升值，具體數(shù)據(jù)如表1所示。

注：測量數(shù)據(jù)僅選取2種柔性導(dǎo)熱材料測量數(shù)據(jù);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(shù)據(jù)得出模塊熱設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)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(jié)構(gòu)，又因鎖緊機(jī)構(gòu)無法改進(jìn)，故主要從改變插槽界面接觸熱阻方面進(jìn)行。

測量常規(guī)導(dǎo)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(dǎo)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，在插拔過程容易產(chǎn)生磨損，需設(shè)計(jì)專門的機(jī)構(gòu)保證拔插時(shí)無法接觸，所以經(jīng)濟(jì)性差。石墨耐磨性差且容易碎裂，難以應(yīng)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(jī)構(gòu)力量大，當(dāng)模塊精度控制不好時(shí)會(huì)造成接觸不良或?qū)⒈衬z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(hù)不便。文中通過分析認(rèn)為現(xiàn)有工藝條件可通過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降低插槽熱阻。

3.2 柔性導(dǎo)熱材料選擇

芯片封裝外形有封裝公差，機(jī)械零件存在加工誤差，當(dāng)各類組件裝配時(shí)，累計(jì)誤差有可能接近0.5 mm。為消除累計(jì)誤差，一般在芯片與散熱板之間裝配柔性導(dǎo)熱材料，通過導(dǎo)熱材料的壓縮來連接散熱通路。

提高柔性導(dǎo)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(yán)格限制，選擇何種導(dǎo)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(dǎo)熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)、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(yīng)選擇更加柔軟的導(dǎo)熱材料。從可維修性的角度考慮，應(yīng)采用低接觸應(yīng)力的導(dǎo)熱材料。一般導(dǎo)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。

通過測試導(dǎo)熱系數(shù)為3、3.1、5、14、15、17 W/m·K的6種導(dǎo)熱墊材料。從表1中截取測試數(shù)據(jù)表明，目前熱流密度條件下，器件結(jié)溫并不隨著導(dǎo)熱墊兩側(cè)溫差減小直線下降，單純提高導(dǎo)熱墊導(dǎo)熱系數(shù)無法有效降低芯片溫度，仿真數(shù)據(jù)同樣證明此現(xiàn)象。分析認(rèn)為整個(gè)模塊結(jié)構(gòu)的熱阻網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜，器件結(jié)溫高低并不由某個(gè)結(jié)構(gòu)的因素單獨(dú)決定，僅提高導(dǎo)熱墊導(dǎo)熱系數(shù)，對降低模塊傳熱路徑上的總熱阻貢獻(xiàn)不足，故改善效果并不明顯。

熱流密度3 W/cm2的芯片，導(dǎo)熱系數(shù)在7 W/m·K以上的導(dǎo)熱墊可滿足使用要求，由于更高的導(dǎo)熱材料意味著較高的經(jīng)濟(jì)成本，從經(jīng)濟(jì)角度出發(fā)，不能僅提高導(dǎo)熱墊系數(shù)，而應(yīng)從系統(tǒng)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(dǎo)熱系數(shù)為15W/m·K的導(dǎo)熱材料。

4 結(jié)束語

通過熱仿真、測試迭代優(yōu)化的處理模塊達(dá)到了使用要求，且留有余度，為類似高密度組裝模塊的熱設(shè)計(jì)提供了參考。(1)熱仿真應(yīng)盡早參與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，模塊預(yù)布局后即開展熱仿真。仿真與測試相結(jié)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(shè)計(jì)臨界值，確保產(chǎn)品滿足使用要求。并通過仿真、測試迭代積累數(shù)據(jù)，更好的指導(dǎo)設(shè)計(jì)。(2)影響器件溫升因素眾多，僅提高導(dǎo)熱材料導(dǎo)熱系數(shù)的方法并不經(jīng)濟(jì)，且降低單個(gè)環(huán)節(jié)熱阻也不能明顯降低芯片結(jié)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(dǎo)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(qiáng)模塊傳熱能力較為經(jīng)濟(jì)的選擇。