王永峰， 羅先培

（1.連云港軍澤機(jī)電科技有限公司， 江蘇連云港 222006； 2.上海船舶電子設(shè)備研究所， 上海 201108）

0 引言

隨著科技的發(fā)展，對(duì)電子設(shè)備多功能性需求的提升，要求體積越來越小、集成化程度越來越高，運(yùn)算頻率和運(yùn)算速度越來越高，導(dǎo)致電子設(shè)備的發(fā)熱量急劇升高，對(duì)工作效率帶來一定的影響[1]。 李健等[2]為了有效解決電路芯片熱量過高和溫度分布不均勻的問題， 結(jié)合熱管強(qiáng)化傳熱技術(shù)與冷板強(qiáng)化散熱技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)， 研制了基于航空電子設(shè)備元器件安裝空間尺寸的熱管冷板散熱裝置。 曾樂業(yè)等[3]為解決電子設(shè)備高熱流密度芯片散熱問題，建立了主板模塊傳導(dǎo)冷卻的熱阻網(wǎng)絡(luò)， 設(shè)計(jì)研制了一種低熱阻結(jié)構(gòu)的熱管冷板， 并對(duì)兩種熱管冷板在不同熱流密度條件下進(jìn)行模塊及整機(jī)的常溫和高溫試驗(yàn)。 對(duì)功率模塊的散熱問題，王裴[4]提出了平板熱管風(fēng)冷和水冷板兩種散熱方式， 利用實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬手段對(duì)這兩種形式的散熱器散熱性能進(jìn)行了研究， 為功率模塊的散熱系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論支持。 白洋[5]以標(biāo)準(zhǔn)插箱冷板為研究對(duì)象，以輕量化結(jié)構(gòu)的熱機(jī)耦合模型建立和求解為方向， 研究了基于熱機(jī)耦合分析的機(jī)箱冷板輕量化設(shè)計(jì)。 任童等[6]利用計(jì)算流體力學(xué)方法對(duì)某機(jī)載電子設(shè)備用氣冷冷板進(jìn)行了傳熱模擬，通過改變?nèi)肟谒俣纫约袄淇諝獾牧鲃?dòng)方式，得到不同工況下氣冷冷板各位置的溫度分布和工作性能。沈彤等[7]針對(duì)某電源模塊出現(xiàn)的局部熱流密度過高的問題， 提出了對(duì)蛇形流道為主與局部翅片小通道相結(jié)合的冷板進(jìn)行重新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化。 劉動(dòng)良等[8]針對(duì)鋁制板翅式電子冷板加工過程進(jìn)行詳細(xì)論述，從清洗、裝配、真空釬焊等關(guān)鍵工序方面介紹了其對(duì)冷板質(zhì)量的影響因素，提出了相應(yīng)的工藝措施。

1 基于嵌入式結(jié)構(gòu)的電子設(shè)備冷板設(shè)計(jì)及成型方法

1.1 冷板的嵌入式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法

本文設(shè)計(jì)了一種嵌入式結(jié)構(gòu)的高導(dǎo)熱電子設(shè)備冷板，包括冷板主體、均熱板、蓋板，其爆炸圖如圖1 所示。其中， 蓋板采用具有較強(qiáng)綜合性能鋁合金材料機(jī)加工成型，均熱板2 和蓋板3 嵌入冷板主體1，采用低溫三面搭接回流焊方式將三個(gè)部件成型一體。

圖1 嵌入式結(jié)構(gòu)高導(dǎo)熱冷板爆炸圖

冷板主體， 是嵌入組合式高導(dǎo)熱冷板的主體部分， 可包括和發(fā)熱電子器件相接觸的第一熱交換面凸臺(tái)、 和機(jī)箱配合的結(jié)構(gòu)要素以及適合嵌入均熱板與蓋板的凹槽。 凹槽根據(jù)電子部件熱量傳導(dǎo)路徑特點(diǎn)采用“門”字型形式。 冷板主體的物理形態(tài)采用導(dǎo)熱性能好、質(zhì)量輕的鋁合金材料經(jīng)機(jī)械加工成型。

均熱板，是嵌入組合式高導(dǎo)熱冷板的關(guān)鍵部分，包括銅質(zhì)外殼、毛細(xì)結(jié)構(gòu)和相變介質(zhì)。均熱板的局部受熱時(shí)腔體內(nèi)的介質(zhì)（液體）蒸發(fā)汽化，蒸汽在的壓力差下流向壓力小的其它冷端區(qū)域， 過程中釋放出熱量，凝結(jié)成液體，液體在腔體內(nèi)靠毛細(xì)力的作用流回蒸發(fā)部位，如此循環(huán)下去，熱量由熱集中區(qū)傳至冷端區(qū)域，實(shí)現(xiàn)高效熱傳導(dǎo)。 將均熱板和冷板主體低熱阻、高可靠焊接成型一體，有效提升冷板的熱傳導(dǎo)性能。設(shè)計(jì)的超薄均熱板，可實(shí)現(xiàn)冷板超薄化，和傳統(tǒng)冷板相比較，體積不增加。 本設(shè)計(jì)將高導(dǎo)熱效能均熱板與傳統(tǒng)鋁合金冷板相組合，可實(shí)現(xiàn)均溫板的標(biāo)準(zhǔn)化，降低作為新型材料的均溫板生產(chǎn)成本，具有標(biāo)準(zhǔn)化、低成本等優(yōu)勢(shì)。

圖2 高導(dǎo)熱冷板組合圖

1.2 采用回流焊接工藝的嵌入式冷板成型方法

基于上述的嵌入式方法設(shè)計(jì)的冷板， 在生產(chǎn)成型方面需要解決銅鋁材質(zhì)零件的低熱值可靠聯(lián)接的問題。 銅和鋁的焊接比較困難，由于二者物理特性相差懸殊，其熔點(diǎn)相差達(dá)423℃很難同時(shí)熔化。高溫環(huán)境中鋁的氧化性能強(qiáng)，所以必須采取措施，防止氧化去除熔池中氧化物，為了使焊接質(zhì)量得到控制，所以必須采取特殊的工藝方法，即在銅工件和鋁的焊接表面鍍一層介質(zhì)過渡， 通過介質(zhì)把兩種材質(zhì)牢固的結(jié)合在一起。

本文結(jié)合回流焊的優(yōu)勢(shì)， 首次將元器件的回流焊接工藝應(yīng)用到銅鋁復(fù)合材質(zhì)零件的低熱阻可靠固聯(lián)中，圖3 為產(chǎn)品生產(chǎn)工藝流程圖， 圖4 為回流焊接工藝生產(chǎn)流程圖。通過不同系列冷板焊接試驗(yàn)證明，回流焊工藝方法可實(shí)現(xiàn)嵌入式冷板不同材質(zhì)組件之間的低熱阻聯(lián)接。

圖3 生產(chǎn)工藝流程圖

圖4 回流焊接工藝流程圖

2 電子設(shè)備冷板“三化”設(shè)計(jì)

“三化”指標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、系列化，是現(xiàn)代設(shè)計(jì)基本方法，對(duì)電子設(shè)備冷板進(jìn)行“三化”設(shè)計(jì)，可達(dá)到降低產(chǎn)品的研發(fā)成本、研制周期得以縮短、產(chǎn)品的可靠性得到提升的目的。

冷板需要對(duì)不同類型板卡、不同元器件種類、不同元器件布局的電子設(shè)備模塊進(jìn)行散熱， 導(dǎo)致冷板的種類繁多，都采用定制化方式，“三化”設(shè)計(jì)水平不高。 但是通過上述嵌入式冷板的設(shè)計(jì)及成型方法，按照“三化”設(shè)計(jì)要求，可以將高導(dǎo)熱冷板拆分為冷板主體、均熱板及蓋板三個(gè)部分，見圖5，其中處于夾芯位置的均熱板是生產(chǎn)工藝最為復(fù)雜、 質(zhì)量控制要求最高、 生產(chǎn)成本占比最高的部件，因此，做好均熱板的“三化”設(shè)計(jì)工作，就可以較大程度上解決電子設(shè)備冷板的“三化”設(shè)計(jì)問題，達(dá)到縮短生產(chǎn)周期、降低生產(chǎn)陳本的目標(biāo)。

圖5 “三化”設(shè)計(jì)前后冷板對(duì)比圖

2.1 標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)

目前，軍用電子設(shè)備模塊功能各異、元器件組成各不相同， 但是基本都遵循了IEC60297-3、 IEC60297-4、IEEE1101.10 以及VITA48 定義的歐式板卡外形，主要包括3U、6U、8U 尺寸。

標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)是在互相獨(dú)立的系統(tǒng)中， 最大限度地實(shí)現(xiàn)功能互換和尺寸互換的功能單元使用范圍。 本文介紹的嵌入式結(jié)構(gòu)高導(dǎo)熱冷板， 將關(guān)鍵的夾心層-即均熱板，按照3U、6U、8U 尺寸標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)， 使同一板卡系列的均熱板能夠在不同功能模塊進(jìn)行功能互換和尺寸互換，如6U 尺寸系列的均熱板可以在不同功能、不同散熱需求的6U 嵌入式冷板間兼容性使用，盡可能實(shí)現(xiàn)冷板的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)。

2.2 模塊化設(shè)計(jì)

模塊化設(shè)計(jì)是對(duì)一定范圍內(nèi)的不同產(chǎn)品進(jìn)行功能分析和分解，劃分并設(shè)計(jì)、生產(chǎn)出一系列通用模塊或標(biāo)準(zhǔn)模塊，然后，從這些模塊中選取相應(yīng)的模塊并補(bǔ)充新設(shè)計(jì)的專用模塊和零部件一起進(jìn)行相應(yīng)的組合， 以構(gòu)成滿足各種不同需要的產(chǎn)品。 本文將散熱冷板拆分成冷板、 均熱板、蓋板三個(gè)模塊，為“標(biāo)準(zhǔn)化”、“系列化”設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)。

2.3 系列化設(shè)計(jì)

系列化設(shè)計(jì)是根據(jù)同一類產(chǎn)品的發(fā)展規(guī)律和使用需求，將其性能參數(shù)按一定數(shù)列作合理安排和規(guī)劃，并且對(duì)其型式和結(jié)構(gòu)進(jìn)行規(guī)定或統(tǒng)一，從而有目的地指導(dǎo)同類產(chǎn)品發(fā)展。本文介紹的嵌入式冷板按照3U、6U、8U尺寸的歐式板卡系列，設(shè)計(jì)了系列化的均熱板，系列尺寸見圖6 及表1。

表1 均熱板尺寸系列表（單位：mm）

圖6 均熱板尺寸圖

3 基于嵌入式結(jié)構(gòu)的電子設(shè)備冷板的均溫性能測(cè)試

為了對(duì)上述基于“三化”設(shè)計(jì)的嵌入式冷板導(dǎo)熱性能進(jìn)行驗(yàn)證，本文6U 嵌入式冷板為例對(duì)其均溫性能進(jìn)行測(cè)試，將測(cè)試結(jié)果與非嵌入式高導(dǎo)熱均溫冷板進(jìn)行對(duì)比，以此來驗(yàn)證基于“三化”設(shè)計(jì)的嵌入式冷板的導(dǎo)熱性能。

3.1 驗(yàn)證測(cè)試環(huán)境的搭建

（1）將6U 嵌入式冷板及非嵌入式高導(dǎo)熱均溫冷板分別在完全相同配置的兩塊某高功耗服務(wù)器主板上， 并將兩塊主板同時(shí)布防于同一計(jì)算機(jī)機(jī)箱內(nèi)。

（2）將溫度傳感器探頭貼于如圖7、圖8 所示的位置，用于實(shí)時(shí)讀取相應(yīng)位置的溫度值。

圖7 冷板正面測(cè)點(diǎn)示意圖

圖8 冷板反面測(cè)點(diǎn)示意圖

（3）將兩塊主板同時(shí)運(yùn)行，并運(yùn)行BurnInTest 程序，使服務(wù)器主板功耗達(dá)到最大值。

（4）通過AIDA64 軟件實(shí)時(shí)讀取兩塊冷板相應(yīng)位置的溫度讀數(shù)，待讀數(shù)穩(wěn)定后，記錄相應(yīng)數(shù)值。

3.2 驗(yàn)證測(cè)試數(shù)據(jù)

試驗(yàn)環(huán)境溫度：19℃。 當(dāng)兩塊服務(wù)器主板達(dá)到熱平衡后，讀取兩種冷板各測(cè)試點(diǎn)的溫度，并計(jì)入表2。

表2 各測(cè)點(diǎn)溫度（單位:℃）

3.3 測(cè)試數(shù)據(jù)分析與討論

將冷板主要傳熱路徑的溫度梯度是衡量高導(dǎo)熱冷板的重要參數(shù)之一，該服務(wù)器主板冷板的主要傳熱路徑如圖9 所示，最大發(fā)熱源為處理器芯片， 熱量從處理器芯片對(duì)應(yīng)凸臺(tái)向冷板的兩側(cè)（B 點(diǎn)和C 點(diǎn)）擴(kuò)散，處理器芯片對(duì)應(yīng)凸臺(tái)對(duì)應(yīng)的測(cè)試點(diǎn)為A 點(diǎn)。

圖9 冷板主要傳熱路徑示意圖

整理表2 的數(shù)據(jù)， 可以獲得兩塊服務(wù)器冷板主要傳熱路徑的溫度梯度，具體見表3 所示。

表3 熱主要傳導(dǎo)路徑的溫度梯度（單位：℃）

從表3 中的數(shù)據(jù)可以看出， 嵌入式導(dǎo)熱冷板與非嵌入式導(dǎo)熱冷板的溫度梯度基本一致，同時(shí)，處理器凸臺(tái)溫度（即A 點(diǎn)溫度）與環(huán)境溫度之間的溫度差為22℃，滿足主板散熱指標(biāo)要求。

通過上述試驗(yàn)測(cè)試、數(shù)據(jù)分析和討論，基于“三化”設(shè)計(jì)的嵌入式均溫板導(dǎo)熱冷板的散熱性能滿足散熱指標(biāo)要求，可應(yīng)用于高功耗電子設(shè)備散熱中。

4 結(jié)束語

本文基于 “三化” 標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)了一種組合式高導(dǎo)熱冷板，采用低溫錫焊實(shí)現(xiàn)銅鋁不同界面材料高可靠、低熱阻的聯(lián)接。相比較傳統(tǒng)非組合式高導(dǎo)熱冷板相比，所設(shè)計(jì)的組合式高導(dǎo)熱冷板，可實(shí)現(xiàn)均熱板的標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，更好的控制、降低生產(chǎn)成本，縮短加工周期，同時(shí)，通過典型模塊的對(duì)比試驗(yàn)證明組合式導(dǎo)熱冷板的均溫性能不下降，可滿足抗惡劣環(huán)境電子設(shè)備的高效散熱需求， 為軍用電子設(shè)備高導(dǎo)熱冷板的實(shí)現(xiàn)方式提供一種新的思路。