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，通过在模块插槽內垫铝箔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。