CN113033141B - 一种数字板卡导热结构设计与装配方法 - Google Patents

一种数字板卡导热结构设计与装配方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种数字板卡导热结构设计与装配方法，属于电子设备散热技术领域。该方法首先测量数字板卡上各IC芯片的高度，并进行导热垫的选择，然后计算导热凸台的设计高度，并在各导热凸台附近设计紧固螺孔，从而加工出导热板；接着在IC芯片与导热凸台之间安装压力传感器，采用扭矩扳手将紧固螺钉锁紧，记录压力传感器读数与预定压力相等时各紧固螺钉的扭矩值；最后卸下各压力传感器，按照扭矩值拧紧各紧固螺钉，完成数字板卡导热结构的装配。本方法简单易行，通过导热垫的选型、厚度以及紧固螺钉的锁紧程度，可灵活调整传热温差，实现传热温差的高精度控制，提高数字板卡导热结构的传热效率，保障数字板卡的高效运行。

Description

一种数字板卡导热结构设计与装配方法
技术领域
本发明涉及电子设备散热技术领域，具体的说是一种数字板卡导热结构设计与装配方法。
背景技术
随着大规模集成电路的高速发展，数字IC芯片的发热量随集成度的提高而迅速增加，温度控制技术和散热技术已经成为制约IC芯片进一步发展和可靠性的重要因素。当前数字板卡散热通常采用一整块与印制板尺寸相同或接近的金属导热板辅助散热，数字板卡上多个IC芯片的热量主要通过热传导传递给导热板，由导热板再通过风冷或液冷的形式传递给热沉。为了契合数字板卡上多个不同IC芯片的高度，导热板与芯片贴合的一面常加工成高低不同的凸台的形式，同时为了补偿由于导热板机加工误差以及降低安装应力，在IC芯片与导热板之间常添加柔性导热垫。柔性导热垫作为热界面材料，一般以硅橡胶为主，具备一定弹性和可压缩性。IC芯片绝大部分热量是通过与导热板之间热传导传递出去的，两者的接触传热必然产生传热温差。为了降低芯片温度，应尽可能降低传热温差。对于芯片的高精度温度控制而言，传热温差的实际值应尽可能与设计值接近。由接触热阻相关理论得知：传热温差与两者之间的接触热阻以及接触面传递的热功率相关。IC芯片热功率是定值，热沉的温度是一定的，因此，控制接触面接触热阻即可实现传热温差控制以及在一定程度上控制芯片温度。
接触面的接触热阻与接触面的平面度、粗糙度、导热垫的热导率、压缩量以及接触面的压力有关。数字板卡IC芯片实际高度受到芯片回流焊接过程参数的影响，焊球融化的程度影响其实际高度，因此必须待焊接完成后实际测量。目前常采用游标卡尺作为测量工具，容易划伤印制板而测量不准确。此外，导热垫说明书提供的热阻数据为导热垫材料本身的热阻，并未考虑导热垫与发热器件以及散热器之间接触面空气间隙产生的热阻。因此，在高精度传热控制中是无法直接通过其得出接触面的总接触热阻的。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种数字板卡导热结构设计与装配方法，该方法简单易行，能够实现高精度的传热温差。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种数字板卡导热结构设计与装配方法，其中，数字板卡的导热结构采用导热板，所述导热板上具有与数字板卡各IC芯片一一对应的导热凸台，导热凸台与IC芯片之间设置有导热垫；该方法具体包括以下步骤：
（1）将数字板卡水平放置并固定，以数字板卡上表面为IC芯片高度的原点，采用便携测量机依次测量数字板卡上各IC芯片的高度Yi，i为IC芯片的编号；
（2）根据IC芯片i的传热温差要求△Ti以及导热垫的热阻值，选定导热垫i的产品型号和厚度h垫i；
（3）在导热系数测试仪上将上热流计下表面粗糙度设定为与导热凸台i相同，下热流计上表面粗糙度设定为与IC芯片i相同，将导热垫i放置在上、下热流计之间，施加与IC芯片i的热功率相等的加热功率，施加并改变接触面压力，直至接触面传热温差与传热温差要求△Ti相等，记录此时接触面的压力Pi；若在持续升高接触面压力的过程中，接触面温差始终大于△Ti，则重复步骤（2）和（3），对导热垫i重新选型，直至满足△Ti的要求；
（4）根据导热垫说明书提供的压缩量-压力变化曲线，获得压力Pi下导热垫i的压缩量h压i，并计算导热凸台i的设计高度H凸i：
H凸i= H - H板- Yi - (h垫i- h压i)，
其中，H为导热板上表面距数字板卡上表面的高度，H板为导热板除导热凸台以外部分的厚度；
（5）根据步骤（2）~（4）算得各导热凸台的设计高度，并在导热板上设计紧固螺孔的位置，然后加工出导热板；
（6）在数字板卡的IC芯片i与导热凸台i之间安装压力传感器i，采用扭矩扳手将导热板与数字板卡通过设于各紧固螺孔中的紧固螺钉进行紧固，调节各紧固螺钉的锁紧程度，当压力传感器i的读数与Pi相等时，记录各紧固螺钉的扭矩值Mn，n为紧固螺钉的数量，n≥6；
（7）卸下各压力传感器，按照步骤（6）记录的扭矩值拧紧各紧固螺钉，完成数字板卡导热结构的装配。
进一步的，所述步骤（5）中，各导热凸台的附近区域内均设有紧固螺孔，每一导热凸台附近区域中的紧固螺孔的数量不少于3个；导热凸台的附近区域是指，以该导热凸台的中心为圆心的不与其他导热凸台重叠的圆形区域。
从上面的叙述可以看出，本发明技术方案的有益效果在于：
（1）本发明使用便携测量机代替游标卡尺进行IC芯片高度测量，减小了测量误差，避免了划伤印制板的情况。
（2）本发明采用导热系数测试仪模拟实际接触情况并测量接触面总的接触热阻，采用一系列措施保证导热垫安装实施条件与测量条件相同。
（3）相比采用导热垫本身接触热阻进行传热温差计算的方法，本发明考虑了导热垫与上下接触面之间的传热温差，精度更高，准确性更好，对传热温差的控制更准确。
附图说明
为了更加清楚地描述本专利，下面提供一幅或多幅附图，这些附图旨在对本专利的背景技术、技术原理和/或某些具体实施方案做出辅助说明。
图1是本发明实施例中PMT ARM便携测量机的示意图。
图2是本发明实施例中DSL-Ⅲ导热系数测试仪的示意图。
图3是本发明实施例中导热结构的爆炸图。
图4是本发明实施例中导热板、导热垫、数字板卡的装配结构示意图。
图5是本发明实施例中测量扭矩值的示意图。
图中：PMT ARM便携测量机2、数字板卡3、IC芯片4、导热板5、导热凸台6、导热垫7、DSL-Ⅲ导热系数测试仪11、上流量计12、下流量计13、紧固螺钉14、测试工装平台15、压力传感器16、扭矩扳手17。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步的详细说明。
一种数字板卡导热结构设计与装配方法，其中，如图3所示，数字板卡3的导热结构采用导热板5，所述导热板5上具有与数字板卡3各IC芯片4一一对应的导热凸台6，导热凸台6与IC芯片4之间设置有导热垫7。
该方法具体包括以下步骤：
（1）将数字板卡水平放置并固定，以数字板卡上表面为IC芯片高度的原点，采用如图1所示的派姆特科技（苏州）有限公司的PMT ARM便携测量机2依次测量数字板卡上各IC芯片的高度Yi（见图4），i为IC芯片的编号；
（2）根据IC芯片i的传热温差要求△Ti以及导热垫的热阻值，选定导热垫i的产品型号和厚度h垫i；根据温差和热阻计算导热垫厚度的方法为公知常识，此处不再赘述；
（3）如图2所示，采用湖南湘潭湘仪仪器有限公司的DSL-Ⅲ导热系数测试仪11，将其上热流计12下表面粗糙度设定为与导热凸台i相同，下热流计13上表面粗糙度设定为与IC芯片i相同，将导热垫i放置在上、下热流计之间，施加与IC芯片i的热功率相等的加热功率，施加并改变接触面压力，直至接触面传热温差与传热温差要求△Ti相等，记录此时接触面的压力Pi；若在持续升高接触面压力的过程中，接触面温差始终大于△Ti，则重复步骤（2）和（3），对导热垫i重新选型，直至满足△Ti的要求；
（4）根据导热垫说明书提供的压缩量-压力变化曲线，获得压力Pi下导热垫i的压缩量h压i，并根据图4计算导热凸台i的设计高度H凸i：
H凸i= H - H板- Yi - (h垫i- h压i)，
其中，H为导热板上表面距数字板卡上表面的高度，H板为导热板除导热凸台以外部分的厚度；
（5）根据步骤（2）~（4）算得各导热凸台的设计高度，并在各导热凸台附近设计紧固螺孔，然后加工出导热板，导热板材料一般为铝合金；
（6）如图5所示，在测试工装平台上，在数字板卡的IC芯片i与导热凸台i之间安装压力传感器i（型号可选斯巴拓SBT674），采用扭矩扳手（型号可选MAGTA 28111）将导热板与数字板卡通过设于各紧固螺孔中的紧固螺钉进行紧固，调节各紧固螺钉的锁紧程度，当压力传感器i的读数与Pi相等时，记录各紧固螺钉的扭矩值Mn，n为紧固螺钉的数量，n不小于6；
为了便于调节各导热垫的压力值，可以在各导热凸台的附近区域内均设置紧固螺孔，且每一导热凸台附近区域中的紧固螺孔的数量不少于3个。所谓导热凸台的附近区域是指，以该导热凸台的中心为圆心的不与其他导热凸台重叠的圆形区域。
（7）卸下各压力传感器，按照步骤（6）记录的扭矩值拧紧各紧固螺钉，完成数字板卡导热结构的装配。
总之，本方法简单易行，通过导热垫的选型、厚度以及紧固螺钉的锁紧程度，可以灵活调整传热温差，从而实现传热温差的高精度控制，提高数字板卡导热结构的传热效率，保障数字板卡的高效运行。

Claims (2)

1.一种数字板卡导热结构设计与装配方法，其特征在于，数字板卡的导热结构采用导热板，所述导热板上具有与数字板卡各IC芯片一一对应的导热凸台，导热凸台与IC芯片之间设置有导热垫；具体包括以下步骤：
（1）将数字板卡水平放置并固定，以数字板卡上表面为IC芯片高度的原点，采用便携测量机依次测量数字板卡上各IC芯片的高度Yi，i为IC芯片的编号；
（2）根据IC芯片i的传热温差要求△Ti以及导热垫的热阻值，选定导热垫i的产品型号和厚度h垫i；
（3）在导热系数测试仪上将上热流计下表面粗糙度设定为与导热凸台i相同，下热流计上表面粗糙度设定为与IC芯片i相同，将导热垫i放置在上、下热流计之间，施加与IC芯片i的热功率相等的加热功率，施加并改变接触面压力，直至接触面传热温差与传热温差要求△Ti相等，记录此时接触面的压力Pi；若在持续升高接触面压力的过程中，接触面温差始终大于△Ti，则重复步骤（2）和（3），对导热垫i重新选型，直至满足△Ti的要求；
（4）根据导热垫说明书提供的压缩量-压力变化曲线，获得压力Pi下导热垫i的压缩量h压i，并计算导热凸台i的设计高度H凸i：
H凸i= H - H板 - Yi - (h垫i - h压i)，
其中，H为导热板上表面距数字板卡上表面的高度，H板 为导热板除导热凸台以外部分的厚度；
（5）根据步骤（2）~（4）算得各导热凸台的设计高度，并在导热板上设计紧固螺孔的位置，然后加工出导热板；
（6）在数字板卡的IC芯片i与导热凸台i之间安装压力传感器i，采用扭矩扳手将导热板与数字板卡通过设于各紧固螺孔中的紧固螺钉进行紧固，调节各紧固螺钉的锁紧程度，当压力传感器i的读数与Pi相等时，记录各紧固螺钉的扭矩值Mn，n为紧固螺钉的数量，n≥6；
（7）卸下各压力传感器，按照步骤（6）记录的扭矩值拧紧各紧固螺钉，完成数字板卡导热结构的装配。
2.根据权利要求1所述的一种数字板卡导热结构设计与装配方法，其特征在于，所述步骤（5）中，各导热凸台的附近区域内均设有紧固螺孔，每一导热凸台附近区域中的紧固螺孔的数量不少于3个；导热凸台的附近区域是指，以该导热凸台的中心为圆心的不与其他导热凸台重叠的圆形区域。
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