某高密度组装模块的热设计与实现

摘要 综合化模块组装密度高，热设计方案优劣直接影响模块各项性能指标。采用仿真手段对比优化方案，确定能增加导热通路的夹层结构。测试模块温升路径，通过在模块插槽鹊媛敛及在芯片与壳体之间加垫导热垫的方法降低接触热阻，保证了热设计方案能满足模块性能要求，为类似模块热设计提供了参考。

模块是电子设备的基本组成部件，随着电子技术的发展，模块性能、运算速度、与之对应的功耗、热量、热流密度得到不断增强。统计资料表明，电子元器件温度每升高2℃，可靠性下降10%，温升50℃时的寿命只有温升25℃时的1/6。因此温度是影响设备可靠性的重要因素。

面对高功耗、小体积、轻重量的要求，电子模块需采用更有效地散热结构，选用性能更优异的散热材料，提高传热效率，保证芯片在可承受的温度范围内工作，并满足使用环境要求且具有较高的可靠性。这就需要开展模块热设计方面的高密度组装技术研究。

1 模块设计流程及要求

模块结构设计在电器系统架构、功能划分完成后开始。首先明确功耗、温度、振动、冲击等结构相关技术指标要求，确定初步结构方案。接着提供结构方案图给电气进行EDA预布局，针对预布局结果开展热、强度等相关仿真，并根据仿真结论对EDA布局及模块结构进行调整，对结构设计要素进行优化改进，几轮迭代后，完成模块结构方案设计。重要模块还需进行样件研制，对样件进行相关热测试及仿真对比，同时根据比对结果对样件再进行优化，完成模块结构设计。

一种符合SEM-D标准的处理器模块，外形尺寸≤149.4 mm×122.7 mm×24 mm，常温功耗≤50 W，要求在-55～+70 ℃的环境下长时间工作。处理器模块由主、从模块组成，主、从模块通过板间连接器实现信号互联，处理模块通过LRM连接器实现对外的电气连接。主、从模块双面布置元器件，主要采用表贴器件，主、从模块功耗接近，其均为20～25 W。

2 某模块结构方案设计

处理器模块体积小、功耗高、热环境恶劣，热设计原则要求将高功耗器件尽量分散开，并尽量靠近热沉的位置。因模块厚度尺寸限制，板件连接器高度最大可选择7 mm，考虑器件高度及导热界面材料安装空间，主、从模块夹缝空间提供散热能力比壳体和盖板小，从距热沉远近考虑，器件应尽量接近模块盒体，所以主、从模块的主散热面位于板间连接器反面，与壳体接触。

常规方案选择上侧开盖，如图1所示。优点为印制板布板面积较大，相对其他方案较为成熟，缺点是上盖板与盒体之间接触面积小，接触热阻大，主模块散热路径较长，散热效果差。改进方案是下侧开盖，如图2所示，盖板与盒体接触面积大，热阻较小，主、从模块散热效果相当。两种方案主要差别在于盖板位置不同导致的接触热阻差异。从热阻接触公式中可看出，名义接触面积与热阻大小直接相关。

式(1)中R为接触热阻;为两个接触面的温度差;Q为通过界面热流;A为界面名义接触面积。按照经验值对接触界面赋热阻值进行仿真，结果表明，改进方案中CPU芯片温度比常规方案低2～3℃。同时将改进方案中主、从模块间垫柱改为一体隔板，增加散热通路，CPU芯片温度要比改进前低1～2℃，且便于维修，故确定改进方案为最终方案。

模块散热路径如图3所示，具体结构如图4所示。主、从模块发热元器件通过柔性导热材料与盒体、盖板接触，中间隔板为主、从模块提供安装支撑的同时，通过柔性导热材料与主、从模块内侧非主要散热器件接触，隔板两侧靠近锁紧条边伸出立耳与盒体接触，模块两侧翼耳通过锁紧条与插槽连接。盖板、隔板和盒体接触面涂覆导热材料，以降低界面热阻。所有热量最终通过模块两侧翼耳传导至机箱热沉。测试发现增加隔板散热通路，可使芯片温度降低2～3℃，主、从模块CPU芯片温差始终控制在1℃以内，表明主、从模块散热通路热阻均衡，仿真与实际结果相一致，说明改进有效。

3 测试优化

将处理模块插入测试机箱，按模块传热路径分布传感器，传感器布置在尽可能接近每个接触界面的位置，通过对每个接触界面附近的温度分析，找出最高环节温升值。测量的仪器采用Fluke数据采集系统(2680A)，传感器采用T型热电偶，精度为±0.5℃。

主、从模块上CPU芯片热流密度最高、有内置温度传感器，结温相差1℃以内，但从模块装配传感器更方便，所以选择从模块CPU芯片内置传感器温度为起点，环境温度为终点，对温升路径进行测量，传感器布局如图5所示。模块加电2 h温度稳定，读取温升值，具体数据如表1所示。

注：测量数据仅选取2种柔性导热材料测量数据;温差为相邻两测量点温度差

3.1 关键散热因素优化

表1数据得出