基于ASAAC标准穿通风冷模块结构设计

黄贤浪

摘要：随着电子设备热流密度的提高，电子元器件的散热设计在电子设备的设计中越来越重要，甚至可能成为设备进一步集成的关键因素。目前能额外提供环控风、液冷源等特殊散热环境的电子设备使用平台较少，大多电子设备依然依赖于设备自身设计强迫风冷系统完成散热。主要研究了基于ASAAC标准穿通风冷模块结构设计，以期为相关人员提供参考。

关键词：电子设备;LRM模块标准;结构设计;散热设计

中图分类号：TN60

文献标识码：A

DOI： 10.15913/j.cnki.kjycx.2019.11.063

为满足电子设备的维修需求，同时提高日益复杂和高度集成的电子系统的可靠性和容错能力，便于扩展、改裝，降低开发、维修费用，多数综合化的电子设备采用了LRM模块化的设计思路。ASAAC标准模块是欧洲参照美国相关军用标准开发的一种LRM模块标准，已经广泛运用于军品和民用电子产品。

目前基于ASAAC标准的综合化电子设备常用的强迫风冷方式主要分为传导冷却和穿通强迫风冷冷却。其主要区别在于传导路径的不同，二者传导路径如图1和图2所示。直观可见，穿通强迫风冷较传导冷却少一个热阻，其效率相对较高，并可以省去冷板设计，这种结构形式使用日益增多。区别于模块化的传导冷却方式和独立电子设备的强迫风冷方式，基于穿通风冷的综合电子设备模块结构设计在结构设计、散热设计和屏蔽设计等方面有所差异。就一般穿通风冷模块和传导风冷模块在结构设计、散热和防护设计等方面的差异进行总结，并介绍一般穿通风冷模块的设计形式。

1 结构设计

基于ASAAC标准的LRM模块如图3所示，主要由模块主体、起拔器、锁紧条和对外连接器组成。

1.1 起拔器

作为LRM模块的标准配置，起拔器可以实现快速LRM插拔。起拔器以安装螺钉为转轴，长边作为手动施加力矩，短边与机架安装面作用，带动模块沿模块肋条方向运动，实现插入或拔出模块。

穿通风冷模块的起拔器作用等同于一般传导模块的作用，但是一般而言，基于传导模块的综合机架一般采用密封设计，设计有前盖板，使用的起拔器不宜太凸出模块前端面。对于两层及以下的穿通风冷机架，一般不设计前盖板，使用的起拔器也更为自由。

1.2 锁紧条

一般基于传导冷却的ASAAC模块，其锁紧肋条一般厚度为7 mm，除去增强模块的刚度外，可以更多地传递热量，且一般的传导冷却模块为减小热阻会使用锁紧条，锁紧条根据模块的重量和力学振动量级而定。

穿通风冷模块主要通过模块的侧面进行强迫风冷，模块肋条的散热作用较弱。为此其模块肋条可以设计得更薄，一般其厚度为2.5-3 mm。对于振动量值不高，重量不大的模块甚至可以取消锁紧条，采用锁紧力较小但是更为快速的锁紧方式。

1.3 对外连接器

为实现模块的快速维护，一般模块的信号通过模块背后的连接器实现对外电气互联。对于有软件升级需求或监测的模块，其正前面可以设计调试口，并设计小盖板封堵，以满足电磁屏蔽要求。随着模块功能性能提升，对外电气信号接口需求数量日益增多，目前常用的有LRM系列连接器，其具有多低频、射频，大电流、光信号的传输需求。LRM连接器如图4所示。

1.4 模块主体结构形式

模块主体作为承载电路印制板和元器件的主要部分，通过盖板加盒体的结构形式拼装而成。对于数字信号类模块，其器件/芯片抗电磁干扰能较强，在模块内部一般不做更多的屏蔽设计;对于模拟信号类模块，内部需要根据器件/芯片抗电磁干扰能力进行屏蔽设计。模拟信号类模块内部的屏蔽设计一般通过三种方式实现，分别是盒体增加金属件屏蔽体、盖板上增加屏蔽隔断、印制板上使用器件封装。

模块的开盖方式有单面开盖和双面开盖，一般由内部的电气功能屏蔽需求和内部器件数量决定。对于双面开盖的传导模块，为避免盖板与盒体接触面的热阻，芯片热量可以通过模块内部的金属面导至模块肋条处。无论双面开盖还是单面开盖，穿通风冷模块的芯片热量都须导至盖板上。单面开盖模块结构形式如图5所示。

1.5 表面涂覆与防护设计

对于传导冷却模块，为减小接触热阻，模块肋条和机架接触面均不喷涂油漆，一般传导冷却机架为封闭结构，能为传导冷却模块提供一定的防护。

传统风冷模块直接暴露于外界环境中，需要直接面对大气环境;模块外表面不起传导散热作用，为此，一般将模块后部的导电面外的其余表面全部喷涂油漆。由于油漆的厚度精度远低于机械加工面精度，在实际生产过程中，需要预留产品油漆尺寸，并严格控制油漆厚度。

2 散热设计

传导与穿通风冷模块最大的区别在于散热路径的不同，二者在散热设计上也存在较大差异。

穿通风冷模块的芯片热量传递路径为：芯片表面>导热垫（脂）>模块盖板及散热齿>冷却风。对于热流密度较高的芯片，对应盖板的散热处还应当设计散热齿。一般散热齿应当平行于冷却冷的流向，并在该方向留出畅通的通道。对于较大的散热设计金属块，可以进一步在其上设计散热齿，以减轻重量，具体散热设计如图6所示。

对于盖板上的散热齿，可以根据热流分布适当削减，尤其对于靠边的散热齿，在不影响盖板强度的前提下可以削减。对于两层穿通风冷的机架，为尽量减小出风口模块对入风口模块的散热风量影响，在设计时，对上下层模块的散热齿从同一起始位置算起，按照一定间隙规律朝一个方向延伸。相对于传导散热，穿通冷却模块的盖板（或盒体）无需在导热路径上将热全部导至肋条处，盖板（或盒体）可以除去加强和散热处，将其设计得更薄。

3 结束语

穿通风冷模块尽管提升了散热效率，有利于减重，但相对传导冷却在电磁屏蔽和电磁防护方面具有的优势，穿通风冷结构形式有待进一步研究提升。且该模块虽然可以优化模块间隙形成的狭长风道宽度，但结合散热齿和模块热耗参数，提升散热效率也是亟需解决的问题。