某高密度组装模块的热设计与实现

模块热设计环节影响器件温升的最主要因素是插槽热阻。处理模块采用楔形锁紧结构，又因锁紧机构无法改进，故主要从改变插槽界面接触热阻方面进行。

测量常规导电氧化表面插槽及垫铟箔、石墨、铝箔插槽及插槽涂抹硅脂5种方式。普通导电氧化表面，模块插槽处温升为14～16 ℃。铟箔可将插槽温升降低至11～12℃，但铟箔较软且有一定的毒性，在插拔过程容易产生磨损，需设计专门的机构保证拔插时无法接触，所以经济性差。石墨耐磨性差且容易碎裂，难以应用于工程。而铝箔自带背胶使用方便，可将插槽温升降低至9～10 ℃，但楔形锁紧机构力量大，当模块精度控制不好时会造成接触不良或将背胶挤出。硅脂效果最佳，插槽处温升下降至8～9℃，但硅脂易造成污染，维护不便。文中通过分析认为现有工艺条件可通过提高接触面表面光洁度、加工精度及插槽装配面增加铝箔的方式来降低插槽热阻。

3.2 柔性导热材料选择

芯片封装外形有封装公差，机械零件存在加工误差，当各类组件装配时，累计误差有可能接近0.5 mm。为消除累计误差，一般在芯片与散热板之间装配柔性导热材料，通过导热材料的压缩来连接散热通路。

提高柔性导热材料的接触压力可降低接触热阻，但芯片表面所能承受的压力有严格限制，选择何种导热材料压力并不是唯一因素，还需考虑多方面因素，如芯片的热流密度，导热材料的导热系数、弹性模量、成本和可维修性等。

处理模块面对苛刻的振动、冲击环境，为降低芯片所承受环境压力的影响，应选择更加柔软的导热材料。从可维修性的角度考虑，应采用低接触应力的导热材料。一般导热材料有单面带背胶和双面背胶两种，本文推荐选择单面背胶材料。

通过测试导热系数为3、3.1、5、14、15、17 W/m·K的6种导热垫材料。从表1中截取测试数据表明，目前热流密度条件下，器件结温并不随着导热垫两侧温差减小直线下降，单纯提高导热垫导热系数无法有效降低芯片温度，仿真数据同样证明此现象。分析认为整个模块结构的热阻网络复杂，器件结温高低并不由某个结构的因素单独决定，仅提高导热垫导热系数，对降低模块传热路径上的总热阻贡献不足，故改善效果并不明显。

热流密度3 W/cm2的芯片，导热系数在7 W/m·K以上的导热垫可满足使用要求，由于更高的导热材料意味着较高的经济成本，从经济角度出发，不能仅提高导热垫系数，而应从系统的角度出发进行选择。考虑芯片管脚受力，处理器模块最终选择导热系数为15W/m·K的导热材料。

4 结束语

通过热仿真、测试迭代优化的处理模块达到了使用要求，且留有余度，为类似高密度组装模块的热设计提供了参考。(1)热仿真应尽早参与结构设计，模块预布局后即开展热仿真。仿真与测试相结合，进行仿真对比方案、寻找改进方向、优化方案，测试消除仿真误差，找到设计临界值，确保产品满足使用要求。并通过仿真、测试迭代积累数据，更好的指导设计。(2)影响器件温升因素众多，仅提高导热材料导热系数的方法并不经济，且降低单个环节热阻也不能明显降低芯片结温，只有对整个散热通路热阻控制取得均衡，才可有明显的改善效果。(3)提高导轨接触面光洁度、配合精度，增加接触压力及界面热传递材料是增强模块传热能力较为经济的选择。