插件导冷技术仿真研究

洪大良　邵世东　张根烜

摘 要：本文采用导冷技术解决高温环境下插件的散热问题。为确定该技术的散热能力，本文进行了仿真研究。研究结果表明，在供液温度为30℃的时候，插件工作温度不超过70℃，且其温度随着导冷板的导热系数增加而降低，如果采用纯铜作为导冷板材料，则采用该技术能够解决单板200W以上插件散热问题的潜力。由于该技术能够大幅度降低插件的工作温度并具有高可靠性等特点，因而具有在数字插件散热中广泛使用的潜力。

关键词：插件；导冷；仿真；温度

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.04.196

1 引言

电子工业的加速发展，对电子设备体积提出了小型化的需求，同时，电子设备的功能和复杂性日益增长，使得设备内部电子器件整体功耗及热量不断增加，以上原因都会导致电子器件的工作温度有升高的趋势[1]。有研究表明，温度每升高10摄氏度电子器件的失效率就会提高[2]，而55%的电子设备的失效是由电子器件的温度过高导致[3]。雷达等军用电子设备来需要信号处理分机对相关的数据进行采集处理，数字插件是信号处理分机的重要组成部分。传统上数字插件都是采用风冷技术进行散热[4-6]。采用风冷技术对数字插件散热会受到两个方面的局限。一方面当环境温度升高的时候，数字插件上面功率器件的工作温度会升高，这会影响数字插件工作的可靠性， 另外一方面采用风冷技术要求在分机内部具有带翅片翅片的冷板以及相应的风道结构，这会大幅度增加分机的外形尺寸和重量，从而增加了相应的安装空间。近年来液冷技术被引入到数字插件的散热系统中，有研究人员[7]将带流道的冷板直接贴在数字插件上，数字插件的热量直接被冷板中的冷却液流体带走，采用该种技术散热效果较好，但是由于采用该种液冷技术需要将冷板和分机壁面通过冷却液接头连接起来，这会带来冷却液在分机内部泄露的风险，从而严重影响分机的工作安全性。考虑到以上散热技术面临的问题，本文采取插件导冷散热技术解决DBF插件的散热问题。

2 插件导冷散热技术工作原理

图1显示的插件导冷散热技术工作原理图。发热器件的热量通过导热衬垫传递到金属导冷板上，然后这些热量沿着金属导冷板传递到机箱壁。机箱壁面内部有流道，传递到机箱壁面的热量被流道中的冷却液带走。通过前文的描述可以看出，发热器件接触的导冷板内部没有流道，机箱壁面上虽然有流道，但是其冷却液的接头在机箱壁外面，因此该散热方案能防止机箱内部发生冷却液泄露情况，保证机箱内部插件工作的安全性。

3 某DBF插件热耗分布

图2显示的是某DBF插件发热器件分布示意图。表1显示的是各器件的发热量。从图2和表1可以看出，搞DBF插件的发热量约为53W，且其发热量主要集中在发热器件D1和D2上，这两个器件的总热耗约为40W，最高热流密度约为1.5W/cm2。

4 仿真分析

为了确定插件导冷技术的散热能力，本文对其散热效果进行了仿真分析，下面将对仿真分析的模型和结果进行介绍。

4.1 模型介绍

图3显示的DBF插件导冷板3维模型。图中红色等各种颜色的方块代表的是发热器件，青色代表的是导冷板基板，蓝色代表的是基板上的导冷条，导冷条和机箱壁面之间为干式接触，所有器件的热量都是通过导冷条传递到机箱壁面。发热器件和导冷板之间装有导热衬垫，其当量接触换热系数取值为5000W/（m2·℃），机箱内冷却液的进口温度为30℃，当插件单板热耗为53W的时候，考虑和接触和传导热阻导冷条相对进口冷却液进口温升被设定为10℃，当插件热耗增加的时候，该温升按照相同比例放大。显热，由于插件的热量是通过导冷板传递到机箱壁面，因此在发热器件位置分布确定的情况下导冷板的材料、厚度以插件的热量都将对插件上芯片的工作温度有重要的影响。

4.2 仿真结果

图4显示的是插件热耗为53W、导冷板材料为6061铝合金、导冷板厚度为4mm（不含凸台高度）的时候插件热仿真结果温度云图。从图中可以看出插件中温度最高的芯片为D1，其最高温度为63.9℃，其他所有芯片的温度均低于此值，显然满足指标要求。图5和图6分别显示的是当导冷板材料为铝和铜的时候插件热仿真结果温度云图，从图中可以看出导冷板材料为铝的时候插件的最高温度为57.1℃，导冷板材料为铜的时候插件的最高温度为63.9℃，这是因为铜和铝的导热系数都远较6061铝合金大，采用这两种材料作为导冷板材料能够大幅度降低沿程的传热热阻，从而使得插件的温度降低。

图5显示的是分别采用铝合金6061、铝以及铜作为导冷板材料的时候，插件芯片最高温度随着插件热耗变化的规律。需要注意的是，当插件热耗发生改变的时候，本文假定各器件的热耗按照相同的比例发生变化。从图中可以看出随着插件热耗的增加，插件芯片最高温度不断增加，当使用铝合金6061作为导冷板材料的时候当插件的热耗不超过80W的时候，插件的最高温度满足温度指标，当使用铝和铜作为导冷板材料的时候，插件都能在热耗不大于110W的情况下正常工作，且用铜作为导冷板材料的时候插件的芯片的最高温度更低。

考虑到现有标准机箱的尺寸，导冷板的厚度只要不大于8mm就不影响其安装，因此本温在这里分析了导冷板厚度对DBF插件芯片温度的影响。图6显示的是在插件热耗为150W，导冷板材料为铜的时候，DBF插件芯片最高温度随导冷板厚度变化的规律。从文中可以看出随着导冷板厚度的增加插件芯片的最高温度不断降低，这是因为随着导冷板厚度的增加，芯片热量传递到导冷条过程的导热热阻减少。

5 结论

本文采用插件导冷散热技术解决DBF插件的散热问题，并对其散热能力和特点进行了详细的分析和讨论，主要结论如下：

（1）插件导冷散热技术通过金属导冷板将插件热量传递到液冷机箱，该技术具有结构简单、安全可靠等特点，能长时间高效稳定工作。

（2）插件导冷散热技术散热能力的大小取决于导冷条和机箱壁面的接触热阻、导冷板的材料、导冷板的厚度以及发热器件在插件上的排布等情况。

（3）如果导冷板厚度选择4.5mm，则采用6061铝合金作为导冷板材料能够解决单板80W的DBF插件的散热问题，采用铝和铜作为导冷板材料都能解决单板110W的DBF插件的散热问题，且采用导热系数更高的铜作为导冷板材料更高。

参考文献：

[1]余建祖.电子设备热设计及分析技术[M].北京：高等教育出版社，2001.

[2]郭磊.电子器件散热及冷却的发展现状研究[J].低温与超导，2014，42（02）：62-66.

[3]Mark Spencer Cooper，Investigation of Arrhenius acceleration factor for integrated circuit early life failure region with several failure mechanisms， IEEE Transactions on components and packaging technologies， Vol. 28， No. 3， September 2005.

[4]潘美娜.小型通信机箱的热分析及优化设计[D].上海交通大学，2013.

[5]宋敏，程翔.某型号雷达室外密封插箱研制综述[J].电子机械工程，2008，24（03）：47-49.

[6]陈登瑞，姜笃山，赵文虎.某高热密度密闭机箱设计[J].电子机械工程，2013，29（03）：5-8.

[7]冯静，顾林卫，吴学群，俞华.一种液电一体液冷机箱[P].实用新型专利，ZL201420005030.7.

作者简介：洪大良（1989-），男，安徽人，博士，研究方向：制冷及电子设备热设计。