高性能CPCIe总线主模块散热热管设计与分析

徐国强

(江苏自动化研究所，连云港 222006)



高性能CPCIe总线主模块散热热管设计与分析

徐国强

(江苏自动化研究所，连云港 222006)

随着抗恶劣环境计算机技术的发展，计算机性能提高的同时对散热的要求也越来越高。传统的冷板被动散热方式已无法满足高性能模块的散热需求，因此，热管技术急需应用到抗恶劣环境计算机系统中。将热管技术与高性能紧凑型外设部件互连(快速)(CPCIe)、高性能计算架构设计技术相结合，提出了一种CPCIe主模块热管散热技术，并对其进行理论分析、设计和试验验证。该技术已成功应用，经测试能够有效提高主模块的散热性能。

高性能；散热；紧凑型外设部件互连(快速)；热管

0 引 言

在抗恶劣环境计算机技术快速发展的背景下，抗恶劣环境计算机模块的处理性能和处理速度等相关指标获得了很大的提升，在传统紧凑型外设部件互连(CPCI)总线架构下，随着模块本身处理能力的逐步提高，32位/33 MHz的CPCI总线的传输带宽只有132 MB/s，模块间通信带宽的瓶颈大大制约了抗恶劣环境计算机的性能。

随着商用外设部件互连(快速)(PCIe)总线和紧凑型外设部件互连(快速)(CPCIe)总线技术的逐渐普及，近几年在抗恶劣环境计算机领域，该类型高速串行总线技术也逐步获得了大量的研发和应用研究，在印制板上信号的传输速率达到2.5 Gbps以上，相比之前的CPCI规范的传统加固计算机，其系统内信号速度有了很大的提升，大大缓解了系统的信号传输带宽压力[1-2]。

随着电子技术的迅猛发展，处理器单位面积的计算性能也提高很快，其频率和处理速度的提高以及集成电路的密集和小型化带来电子元件在单位空间内的发热量指标迅猛增长。电子器件一般均有一个正常的工作温度范围，超过这个范围，元件性能将显著下降，不能稳定工作，因而也影响系统运行的可靠性。研究资料表明，半导体元件温度每升高10℃，系统的可靠性指标降低50%[3]。

电子技术的发展需要良好的散热手段来保证。这种散热手段要求保证计算机产品的可靠性、维修性、测试性等6项指标不断提高，热管技术因而比传统的传导散热和风冷等技术拥有更好的优势。国内外已有大量的对热管技术的研究和应用验证工作，该技术已成熟应用于嵌入式电子产品相关的需要高散热效率的产品领域。在抗恶劣环境计算机领域，热管散热设计技术也已逐步成为重点工程应用技术，还需要进一步的研究以加强该项技术的成熟度。

1 热管散热原理

热管的基本工作原理如图1所示。典型的热管由3个部分组成：管壳、吸液芯和端盖[4]。管的两端分别为蒸发段和冷凝段，热管中间位置为绝热段[5]。当热管的一端受热时，热管内部液体蒸发汽化，由于热管蒸发段的汽体受到气压差驱动，热量通过蒸汽流完成转移，随着蒸汽在冷凝端的液化，热量也得到释放。在此循环机制下，热量在热管两端之间获得了平衡。

图1 热管基本原理图

从热管的结构和工作原理可知，热管具有很高的导热性、优良的等温性和热密度可变性，因此具有良好的环境适应性。凭借优异的特性及其制造工艺的逐步改良和完善，热管技术已逐步应用于宇航和军工领域。因此，在抗恶劣环境计算机产品的应用领域，由于其性能提升带来的散热需求，热管技术的应用和工程化将很好地解决了此类问题。

2 基于CPCIe模块的散热热管理论分析与设计

如图2所示，参考Compact PCI Express标准中6U模块散热盖板的设计规范，本文开展了在加固CPCIe模块盖板上加装散热热管的分析和设计等工作，CPCIe总线模块上大发热量芯片(如处理器等)的热量传导至模块的加固盖板上，盖板上加装的热管将热量传导至模块盖板两侧与机箱壁贴合的导热截面上，相比于传统散热盖板的散热技术，大大提升了散热效率。

图2 加固CPCIe模块的热管传导散热示意图

热阻是对散热通道上各散热器件散热性能的定量指标[6]，本文开展工作主要参考标准6U模块尺寸，针对物体持续传热功率以每单位(W)功率变化时，导热路径两端所产生的温差指标开展研究和验证，单位为℃/W。热阻越大，热传导性能越差，在一定的环境温度和主板功率条件下，热阻小的传导路径会让主板各芯片表面温度很好地传到芯片的散热器件外部，保证芯片表面温度更低，可以更加稳定地发挥其性能。主模块热量传导的横截面示意如图3所示，CPU的发热量通过导热胶垫传导给盖板，再通过导热胶传导给热管，最后通过盖板和热管一起将热量传导至机箱壁。

图3 基于热管的传导散热横截面示意图

主模块的盖板为铝盖板，模块上各芯片(以CPU处理器为主)的热量通过图4所示路径传至机箱壁，将会遇到各种热阻，其过程可用电模拟的方法进行分析。

图4 基于热管的传导散热等效热阻布局示意图

针对以上设计，忽略散热环节之间空气间隙的导热和辐射因素，结合热阻计算理论如下：

(1) 主模块中处理器和盖板之间导热胶垫的热阻计算因素包括：处理器及其相邻盖板之间的导热胶垫的尺寸为21 mm×10 mm×1 mm，导热胶垫的导热系数K=15 W/(m·℃)；

(2) 模块盖板为铝材质，铝材料的导热系数K=204 W/(m·℃)；

(3) 热管根据结构设计分为并联式的2个散热通道，通道1的等效面积为120 mm2，通道2的等效面积为360 mm2，且各自分为加热段和冷凝段，热管的导热系数K=399 W/(m·℃)；

(4) 热管与铝盖板之间采用高效能导热胶粘结，其散热等效面积与通道1和通道2的热管散热面积一致，导热胶的导热系数K=4 W/(m·℃)。

图4中Rxg为芯片和铝盖板之间导热胶垫的热阻；R1g为铝盖板的热阻；Rrg为热管的热阻；Rrj为热管与铝盖板之间导热胶的热阻。

根据Rt=δ/KA[1]以及热管散热计算机公式计算得：

芯片和铝盖板之间导热胶垫的热阻:Rxg=0.317 4℃/W。

铝盖板的热阻:R1g=19.964 1×10-3℃/W。

热管通道1的热阻Rrg1和通道2的热阻Rrg2经计算得出:Rrg1=0.041 8℃/W，Rrg2=0.013 9℃/W。

导热胶的热阻:Rrj=0.14 ℃/W。

在基于热管的CPCIe散热机箱中，主模块芯片的热传导途径中总热阻为:

与传统以及常用的只用导热盖板设计方式、其热阻在2～2.5 ℃/W左右相比，该种新型热管散热技术理论上将大大提高主模块大功率散热器件的散热效果。

3 实际测试结果与分析

在设计和理论分析的基础上，首先在传统加固模块安装盖板后放置在标准抗恶劣环境482.6m计算机机箱中进行温度试验验证，之后在传统加固盖板的基础上设计集成了散热热管进行试验验证对比。

散热模块热设计受盖板加工精度、器件焊接误差、器件承受压力极限、维修性等条件限制，在一定压力的条件下(器件承受压力极限)，盖板与发热器件之间的导热胶垫需要有一定的变形量来包容各种误差，以达到传热效果。

表1 传统散热方式下加固计算机主板温升测试数据表

国内外导热胶垫种类很多，受导热胶垫填充材料材质和制作工艺限制，目前合适的柔性导热胶垫的最佳导热系数仅为K=12W/(m·K)左右，约为模块盖板材料的6.5%，因此发热器件与盖板安装预留间隙对发热器件至盖板等效热阻影响很大。

为了减小发热器件至盖板的等效热阻，一方面选择新型柔性导热胶垫，标称导热系数12W/(m·K)；另一方面在柔性导热胶垫压缩量、器件承受压力允许的条件下，尽量减小发热器件与盖板安装预留间隙，在工艺控制允许的前提下，间隙指标控制在1mm以内,将大大提高散热通道上的热阻。

图5 主板热管盖板实物示意图

盖板段导热优化采用中温烧结型热管。烧结型热管能克服一定高度的重力作用，稳定可靠，导热性能高，等效导热能力至少是同形状铝板2A12(H112)的10倍以上，在导热功率30～60W时，热端与冷端的温差一般不大于5℃。

采取相同的试验验证方式，与传统散热方式的指标对比，试验结果表明，通过加装热管完成优化后的模块散热盖板，在盖板内侧CPU发热点和外侧热管之间的温差由原来的24℃以上降低至18℃左右，大大改善了模块盖板在CPU附近到模块盖板边缘之间的导热性能，因此具有更好的散热效果。

4 结束语

该新型技术已应用于某型号CPCIe总线架构抗恶劣环境计算机主模块的盖板设计和应用中，在大大提高计算机性能和发热量的同时，该新型热管在实测过程中其热阻不大于1～1.5 ℃/W，而传统以及常用的热阻在2～2.5 ℃/W左右，显然，在加固CPCIe机箱中采用基于热管的散热方法明显降低了CPCIe主模块芯片的热传导热阻，大大加强了主模块对外的散热性能，解决了密封机箱的高性能模块的高功耗散热问题，同时，该项技术也能够应用于类似多协议交换(VPX)等各种通信带宽要求高、发热量大等需要提高散热效率的系统应用中。

[1] 孟会，刘雪峰.PCIExpress总线技术分析[J].计算机工程，2006,32(23):253-258.

[2] 屈涛.抗恶劣环境CompactPCI-Express计算机实现技术[C]//中国计算机协会抗恶劣环境计算机委员会.全国抗恶劣环境计算机第二十届学术年会论文集，2010:264-270.

[3] 杨家坚，莫郁微.电子设备可靠性预计技术的应用[J]．电子质量，2000(2):27-30.

[4] 黄庆.热管用于笔记本电脑散热的研究[D].南京:东南大学,2005.

[5] 张明.高性能平板热管均热器的研发及其传热特性的研究[D].北京:北京工业大学,2009.

[6] 邱海平.电子元器件及仪器的热控制技术[M].北京:电子工业出版社，1991.

Design and Analysis of Heat Pipe Applied to High Performance Main Module of CPCIe Bus

XU Guo-qiang

(Jiangsu Automation Research Institution,Lianyungang 222006,China)

With the development of computer technology against abominable environment,the computer performance is improved,at the same time the demand of heat dissipation to computer becomes higher and higher.Traditional passive heat dissipation mode of cooling board can not satisfy the cooling demand of high performance computing modules,so heat pipe technology is in dire need of applying to the computer system against abominable environment.This article combines the heat pipe technology with compact peripheral component interconnect express (CPCIe) & high performance computing architecture design technology，presents a heat dissipation technology of heat pipe for high performance CPCIe main module,and performs theoretical analysis,design and test validation.The technology has been applied successfully,and the test proves that it can improve the heat dissipation performance of main module effectively.

high performance；heat dissipation；compact peripheral component interconnect express；heat pipe

2016-03-24

TM2;TP3

A

CN32-1413(2016)03-0086-04

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.03.022