某高密度組裝模塊的熱設計與實現(xiàn)

摘要 綜合化模塊組裝密度高，熱設計方案優(yōu)劣直接影響模塊各項性能指標。采用仿真手段對比優(yōu)化方案，確定能增加導熱通路的夾層結(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熱墊的方法降低接觸熱阻，保證了熱設計方案能滿足模塊性能要求，為類似模塊熱設計提供了參考。

模塊是電子設備的基本組成部件，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，模塊性能、運算速度、與之對應的功耗、熱量、熱流密度得到不斷增強。統(tǒng)計資料表明，電子元器件溫度每升高2℃，可靠性下降10%，溫升50℃時的壽命只有溫升25℃時的1/6。因此溫度是影響設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計方面的高密度組裝技術(shù)研究。

1 模塊設計流程及要求

模塊結(jié)構(gòu)設計在電器系統(tǒng)架構(gòu)、功能劃分完成后開始。首先明確功耗、溫度、振動、沖擊等結(jié)構(gòu)相關(guān)技術(shù)指標要求，確定初步結(jié)構(gòu)方案。接著提供結(jié)構(gòu)方案圖給電氣進行EDA預布局，針對預布局結(jié)果開展熱、強度等相關(guān)仿真，并根據(jù)仿真結(jié)論對EDA布局及模塊結(jié)構(gòu)進行調(diào)整，對結(jié)構(gòu)設計要素進行優(yōu)化改進，幾輪迭代后，完成模塊結(jié)構(gòu)方案設計。重要模塊還需進行樣件研制，對樣件進行相關(guān)熱測試及仿真對比，同時根據(jù)比對結(jié)果對樣件再進行優(yōu)化，完成模塊結(jié)構(gòu)設計。

一種符合SEM-D標準的處理器模塊，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現(xiàn)信號互聯(lián)，處理模塊通過LRM連接器實現(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)方案設計

處理器模塊體積小、功耗高、熱環(huán)境惡劣，熱設計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，從距熱沉遠近考慮，器件應盡量接近模塊盒體，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)點為印制板布板面積較大，相對其他方案較為成熟，缺點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。兩種方案主要差別在于蓋板位置不同導致的接觸熱阻差異。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)驗值對接觸界面賦熱阻值進行仿真，結(jié)果表明，改進方案中CPU芯片溫度比常規(guī)方案低2～3℃。同時將改進方案中主、從模塊間墊柱改為一體隔板，增加散熱通路，CPU芯片溫度要比改進前低1～2℃，且便于維修，故確定改進方案為最終方案。

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，通過柔性導熱材料與主、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)翼耳傳導至機箱熱沉。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，仿真與實際結(jié)果相一致，說明改進有效。

3 測試優(yōu)化

將處理模塊插入測試機箱，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接觸界面的位置，通過對每個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，環(huán)境溫度為終點，對溫升路徑進行測量，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種柔性導熱材料測量數(shù)據(jù);溫差為相鄰兩測量點溫度差

3.1 關(guān)鍵散熱因素優(yōu)化

表1數(shù)據(jù)得出模塊熱設計環(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)，又因鎖緊機構(gòu)無法改進，故主要從改變插槽界面接觸熱阻方面進行。

測量常規(guī)導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，需設計專門的機構(gòu)保證拔插時無法接觸，所以經(jīng)濟性差。石墨耐磨性差且容易碎裂，難以應用于工程。而鋁箔自帶背膠使用方便，可將插槽溫升降低至9～10 ℃，但楔形鎖緊機構(gòu)力量大，當模塊精度控制不好時會造成接觸不良或?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，維護不便。文中通過分析認為現(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 柔性導熱材料選擇

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

提高柔性導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格限制，選擇何種導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，導熱材料的導熱系數(shù)、彈性模量、成本和可維修性等。

處理模塊面對苛刻的振動、沖擊環(huán)境，為降低芯片所承受環(huán)境壓力的影響，應選擇更加柔軟的導熱材料。從可維修性的角度考慮，應采用低接觸應力的導熱材料。一般導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。

通過測試導熱系數(shù)為3、3.1、5、14、15、17 W/m·K的6種導熱墊材料。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)溫并不隨著導熱墊兩側(cè)溫差減小直線下降，單純提高導熱墊導熱系數(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。分析認為整個模塊結(jié)構(gòu)的熱阻網(wǎng)絡復雜，器件結(jié)溫高低并不由某個結(jié)構(gòu)的因素單獨決定，僅提高導熱墊導熱系數(shù)，對降低模塊傳熱路徑上的總熱阻貢獻不足，故改善效果并不明顯。

熱流密度3 W/cm2的芯片，導熱系數(shù)在7 W/m·K以上的導熱墊可滿足使用要求，由于更高的導熱材料意味著較高的經(jīng)濟成本，從經(jīng)濟角度出發(fā)，不能僅提高導熱墊系數(shù)，而應從系統(tǒng)的角度出發(fā)進行選擇。考慮芯片管腳受力，處理器模塊最終選擇導熱系數(shù)為15W/m·K的導熱材料。

4 結(jié)束語

通過熱仿真、測試迭代優(yōu)化的處理模塊達到了使用要求，且留有余度，為類似高密度組裝模塊的熱設計提供了參考。(1)熱仿真應盡早參與結(jié)構(gòu)設計，模塊預布局后即開展熱仿真。仿真與測試相結(jié)合，進行仿真對比方案、尋找改進方向、優(yōu)化方案，測試消除仿真誤差，找到設計臨界值，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)，更好的指導設計。(2)影響器件溫升因素眾多，僅提高導熱材料導熱系數(shù)的方法并不經(jīng)濟，且降低單個環(huán)節(jié)熱阻也不能明顯降低芯片結(jié)溫，只有對整個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模塊傳熱能力較為經(jīng)濟的選擇。