某高功率导冷模块散热设计及测试

阳丁，杜林秀，张永成

（中国电子科技集团公司第二十九研究所，四川 成都 610036）

1 前言

随着电子设备集成度提高，芯片的热流密度逐年提升，导致芯片的散热问题日益严重。电子设备中典型功能模块的散热方式由风冷散热、导冷散热向模块直接通液散热方向发展，其中导冷散热能很好地覆盖芯片热功耗在90～220W的散热需求。由于导冷散热模块的三防性能良好，又能避免通液散热带来的漏液风险，导冷散热在模块散热领域得到大量应用。

典型导冷模块的结构如图1所示，主要由模块盒体、印制电路、盖板及锁紧起拔装置等组成。印制电路上主要功率芯片通过导热绝缘垫与模块盒体的散热凸台接触，芯片的热量传导到模块盒体底板上，模块盒体再将热量传导到盒体两侧的锁紧边，最终实现对外散热。

图1 典型导冷模块

导冷模块盒体的典型材料为防锈铝5A06-T4，材料导热系数为150W/(m.℃)，当有高功率器件需要散热时，导热潜能不足。近年来，新起的以相变传热技术为基础的均热板技术能有效提高模块盒体的导热性能。

均热板内部腔体充注有液态相变工质，其在热源位置吸收热量后，迅速蒸发扩散至整个腔体，将热量传导至冷端，随后冷凝为液态后通过微通道回流。均热板相变工质从蒸发到冷凝的过程在真空腔体内快速循环，实现热量的快速传导。通常以均热板技术为基础制造的模块盒体，在平行于底面的二维平面上导热系数能达到2000W/(m.℃)，垂直于均热板方向上导热系数约100W/(m.℃)。

本文涉及的高功率导冷模块应用了前述均热板技术。该模块内装印制电路如图2所示，其中4块功耗35W的高功率芯片的壳温需要控制到65℃内才能满足电性能要求。模块总热耗约为205W，在模块导热传热热耗区间90～220W，但处于上限，需经过严格的热学计算、热仿真及测试后才能进行工程应用。该高功率导冷模块冷端假设为恒壁温度42℃，冷端横臂温度宽度为7mm、长度为167mm，均热板厚度为3.3mm。

图2 印制电路重要器件热耗

2 理论散热计算

由傅里叶导热定理可知：垂直导过等温的热流密度正比于该处的温度梯度，方向与温度梯度方向相反。导热方程如式1所示：

式中，q为为热流密度，单位J/m2；λ为为材料导热系数，单位W/（m.℃）；T为为温度场，单位℃。

在x方向上其导热方程为：

式中，qx与λ均为定值，芯片对应位置中心面上温度假设为T0，冷端温度为TL,由此可知温度差ΔT计算公式如下：

式中，L为为热传导路径长度，单位m；A为为导热截面积，单位m2；Q为芯片热量，单位W。

为简化计算，芯片与盒体之间的接触热阻通过设置导热绝缘垫厚度与导热系数模拟。假定芯片由于导热绝缘垫产生的温升为ΔT1，均热板z方向的导热温升为ΔT2，均热板在x方向上的导热温升为ΔT3.当导热达到热平衡后，可知芯片壳体的温度为：

T=T0+ΔT1+ΔT2+ΔT3（5）

根据式（4）、（5）和图5，可计算得到芯片壳体温度T=60.1℃，满足壳体温度小于65℃要求，还可计算得到：当均热板x向导热系数为1000W/（m.℃）时，芯片壳体温度72.9℃，不满足壳体温度小于65℃要求；当均热板x向导热系数为150W/（m.℃）时（等同于均热板失效时），芯片壳体温度217.1℃，不满足壳体温度小于65℃要求。

根据式（4）定量理论计算可知，均热板的导热性能受导热系数和板厚参数影响较大，即提高均热板导热系数或加厚均热板均可以提高均热板导热性能。

3 散热仿真分析

本文采用热学仿真软件FloEFD对均热板进行导热仿真计算，热源如图2所示，模块冷端假设为恒壁温度42℃，建立仿真模型进行数值计算。

散热仿真结果如图3所示，芯片处温度为56.5℃，与理论计算结果60.1℃近似，满足壳体温度小于65℃要求。

图3 均热板温度分布图

假设将高功率芯片功耗提升到50W，在与前述边界条件一致情况下，热仿真计算结果如图4所示，芯片壳体温度为58.7℃，相较功率芯片35W时计算结果变化较小。假设将高功率芯片功耗提升到50W，且将均热板x，y向导热系数分别变为1000W/（m.℃）,150W/（m.℃）两种情况下，芯片壳体温度分别为65.9℃，112.7℃，不满足壳体温度小于65℃要求。

图4 均热板温度分布图

上述仿真结果表明，高功率导冷模块散热的关键在于提高均热板的导热系数。

4 散热实验验证

在图2所示印制电路中4块35W芯片附近布置温度测试点，高功率导冷模块均热板专用热测试工装如图5所示，热台导热边实测温度约为44℃，均热板热测试结果见表1，抽样测试结果表明，此批次均热板性能满足要求。

图5 均热板热测试工装

表1 均热板抽样温度测试结果

5 结语

高功率导冷模块采用均热板技术实现散热，其中均热板可通过理论初步设计、仿真、实物测试、故障暴露及分析、优化、再验证和生产抽检等步骤实现。均热板作为关键部件，必须重点关注，并进行多件试制和实验。本文提到的利用简化传热模型估算均热板散热能力的方法便于工程设计人员在工程设计初期对均热板散热能力进行评估。