雷 冰，張琳璐，康明魁

（中國航天科技集團有限公司九院七七一研究所，陜西西安 710119）

引 言

星載高性能計算機系統(tǒng)內熱流密度急劇增加，高溫環(huán)境將顯著降低芯片及整機的性能和可靠性。研究表明，電子設備的失效率隨工作溫度的升高成指數增長，55%的電子設備失效是由溫度超過規(guī)定值引起的[1-2]。

星載設備的主要散熱方式為傳導，熱管理與熱控制原則是設計一條低熱阻傳熱通路，使內部元器件產生的熱量高效快速地傳遞到機箱周圍的熱沉，以滿足熱可靠性及空間環(huán)境應用要求。當前，在星載設備熱設計方面，文獻[3]提出在大功率芯片現場可編程門陣列（Field Programmable Gate Array, FPGA）頂部貼導熱襯墊來降低腔體與芯片的接觸熱阻。文獻[4]提出了一種散熱帽結構，在解決芯片快速散熱的同時起到減重的作用。該類方法都是對常規(guī)金屬導熱材料進行優(yōu)化設計，而常規(guī)材料導熱能力有限且其本身密度較大，現有散熱技術已無法適應星載高性能計算機的高效散熱及輕量化需求。

石墨散熱片因具有優(yōu)異的各向異性導熱性能成為新興散熱材料的焦點，其橫向導熱性最高可達1 500 W/(m·K)，若與金屬材料相結合，可充分發(fā)揮其在橫向熱擴散方面的作用[5-6]。本文結合某星上數據處理機的熱設計需求，提出以石墨散熱片為主的全路徑高效熱傳導方法。采用仿真分析和實測方法對整機的熱設計進行驗證分析，并通過仿真分析定量研究了石墨散熱片對芯片降溫的效果，可為后期石墨散熱片在星載高性能計算機上的應用提供參考。

1 整機介紹及熱設計

1.1 整機結構設計

整機按照VITA 48.2設計標準進行模塊化設計。VITA 48.2子規(guī)范提出了針對導冷插件的機械設計規(guī)范，很適合星上設備的散熱需求[7]。整機包括機箱、前后電源組件、5個計算模塊、2個交換模塊及BUS底板。單機模型如圖1所示。各功能模塊互聯方便，便于各功能板的安裝、調試和替換維修。單個插板模塊由起拔器組件、鎖緊組件、印制件、結構框架及VPX連接器組成，前后電源組件安裝在機箱的前后壁板上。工作環(huán)境為真空環(huán)境，要求在高溫55°C下大功率元器件滿足一級降額要求。

圖1 整機模型圖

1.2 功耗分布

整機模塊的布局如圖2所示。該設備的總功耗為128.1 W，每個計算模塊左右各分布一個數字信號處理（Digital Signal Processor, DSP）芯片，兩個芯片互為備份，兩個交換模塊也互為備份。

圖2 模塊功耗分布圖

各個模塊上大功率器件匯總信息見表1，計算模塊上DSP器件的熱流密度最大。

表1 大功率元器件匯總表

1.3 熱設計

計算模塊的DSP芯片和交換模塊的FPGA芯片為倒裝芯片球柵格陣列（Flip Chip Ball Grid Array,FCBGA）封裝，其散熱方式如圖3所示。電源組件的電源模塊為全密封金屬外殼封裝，直接裝配在金屬冷板上散熱效果最佳。

圖3 計算模塊DSP散熱設計示意圖

星載設備熱設計的原則是設計一條低熱阻、短路徑通路，保證整機的熱量快速高效地傳遞到機箱安裝的熱沉面。模塊插拔區(qū)域與機箱導軌槽之間鎖緊面的接觸熱阻是熱控設計的一個重要參數。文獻[8]基于6U（1U = 44.45 mm）板卡模塊開展了導軌接觸熱阻的研究。研究結果表明：在無導熱填料時鎖緊面的接觸熱阻約為0.226°C/W；在導軌槽與模塊之間的鎖緊面涂覆導熱硅脂時，鎖緊面的接觸熱阻約為0.034°C/W。文獻[9]提出在模塊框架與機箱導軌槽接觸面之間填充液態(tài)金屬導熱膏來降低接觸熱阻，降溫效果明顯。液態(tài)金屬導熱膏會與鋁發(fā)生反應，存在腐蝕鋁表面的風險。本文選擇在接觸區(qū)域涂抹導熱硅脂的方法來降低金屬之間的接觸熱阻。

在導冷板材料確定、器件尺寸和熱耗已知的條件下，熱量傳輸距離和導冷板厚度是影響傳導效率的關鍵因素。文獻[10]指出，當框架厚度達到某一數值后，繼續(xù)增加厚度對降低器件的溫度貢獻很小，反而會增加重量。結合該產品對重量的要求，框架導熱區(qū)域厚度h取3.5 mm，并在布局印制電路板（Printed Circuit Board, PCB）時，使大功率器件盡可能靠近框架邊緣。

DSP芯片在計算模塊內的布局如圖3所示。計算模塊1—5均采用左右備份方式，左側DSP芯片的熱量主要通過導熱界面材料傳導至模塊框架，鋁合金的導熱性能有限，因而框架左右兩側溫差較大。石墨散熱片也稱導熱石墨片，具有超高橫向導熱性能。對于熱量分布不均勻的布局形式，利用其橫向高導熱性可達到均溫的效果。因此本文提出在計算模塊1—5的框架表面貼一片石墨散熱片，以提高整個框架的橫向導熱能力。整個石墨散熱片的厚度為0.2 mm，單片質量為12 g，可保證在重量增加很小的前提下增強計算模塊框架的導熱能力。

2 熱仿真及試驗對比

2.1 熱仿真結果分析

采用FloTHERM仿真軟件，按照功耗最大的工作模式對整機進行仿真分析。求解域內環(huán)境溫度為55°C，并在整機底部安裝面處添加55°C的source控溫面。邊界條件設置為真空環(huán)境，只考慮傳導和輻射。機箱材料為鋁合金，表面進行黑色陽極化處理，輻射系數為0.9。根據廠家的實測結果，0.2 mm厚石墨散熱片的橫向導熱系數為900 W/(m·K)左右，縱向導熱系數為50 W/(m·K)。關鍵器件的仿真溫度結果見表2。

表2 關鍵元器件仿真溫度統(tǒng)計

計算模塊2分布在整個機箱最中間熱量最集中的區(qū)域，其DSP溫度最高。所有器件的最高溫度均滿足星上設備≤85°C的一級降額要求。整機的熱仿真云圖如圖4所示。圖5為計算模塊2的熱仿真云圖，圖6為交換模塊（主）的熱仿真云圖。機箱前壁板安裝電源模塊區(qū)域的最高溫度為70.8°C，機箱左壁機殼溫差在10°C左右。仿真分析驗證了整機的熱設計滿足要求。

圖4 整機熱仿真云圖

圖5 計算模塊2熱仿真云圖

圖6 交換模塊（主）熱仿真云圖

2.2 熱真空試驗

圖7為整機在55°C真空箱內進行的熱真空試驗示意圖。真空箱內壓力＜1.3×10?3Pa，在產品參考點處設置控溫傳感器，保證安裝面處參考點的溫度在55°C左右。機箱外部的溫度選用真空箱內自帶的熱電偶測量，機箱上的測溫點及編號與整機云圖（圖4）上的參考點一致。熱電偶數據無明顯波動時，說明已達到熱平衡，保存試驗數據。

圖7 熱真空試驗示意圖

交換模塊上FPGA器件內置的溫度傳感器可讀取到FPGA的節(jié)溫。產品的工作模式與仿真分析的工作模式保持一致。實驗數據與仿真數據的對比結果見表3。機箱上的實測溫度值除了編號5外均普遍低于仿真值，該誤差來源于熱電偶與機箱的接觸熱阻；交換模塊內FPGA的仿真溫度低于實測溫度，該誤差可能與FPGA芯片仿真設置的功耗值偏低相關。仿真誤差在10%以內，證明了仿真模型的合理性。

表3 仿真結果與試驗結果對比表

2.3 石墨散熱片影響分析

為了對比石墨散熱片對計算模塊的熱控提升效果，以現有經試驗驗證過的仿真模型為基礎，模擬計算模塊1—5在粘貼石墨片前后DSP芯片的溫度。左側DSP芯片節(jié)溫在粘貼石墨片前后的數據對比見表4。在未貼石墨散熱片的情況下，計算模塊2和3上的DSP節(jié)溫大于85°C，不滿足一級降額要求。與采用常規(guī)金屬散熱相比，在計算模塊1—5框架上貼石墨散熱片，可使DSP芯片的溫度低4°C左右，鋁合金2A12的導熱系數為150 W/(m·K)左右，經計算在計算模塊框架貼石墨散熱片后可將整個框架貼合區(qū)域的導熱系數提高至210 W/(m·K)左右，且對整個計算模塊重量的增加完全可忽略不計。

表4 粘貼石墨片前后左側DSP仿真節(jié)溫對比 °C

圖8為計算模塊2框架在未貼石墨散熱片情況下的熱仿真云圖?？蚣茏笥覂蓚鹊臏夭顬?.6°C，而在貼石墨散熱片后左右兩側的溫差為3.7°C。由此可見，石墨散熱片可將集中熱源均勻化，可降低芯片節(jié)溫，從而解決大功率器件的散熱問題。

圖8 無石墨散熱片計算模塊2框架仿真云圖

3 結束語

針對星載高性能計算機對高效散熱的迫切需求，本文開展了星上數據處理機熱設計工作。熱設計的重點在于從整個散熱路徑上提高整機的熱傳導能力。文中提出在熱量集中的計算模塊框架區(qū)域粘貼石墨散熱片以提高整個模塊的散熱能力，并基于熱仿真模型對比了粘貼石墨散熱片前后的散熱效果。石墨散熱片可保證計算模塊內的DSP溫度降低4°C，效果明顯。VPX類型的插板式機箱采用的熱設計方法及石墨散熱片的應用，均可為星載高性能計算機熱設計提供工程指導。

文中石墨散熱片的厚度為0.2 mm，該厚度的石墨散熱片是否為最優(yōu)選擇還有待驗證。建議后續(xù)對不同厚度石墨散熱片粘貼計算模塊框架后的散熱效果進行研究，以為后續(xù)工程應用提供指導。