CN117279192A - 一种lrm模块散热结构及仿真设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电子产品散热技术领域，具体公开了一种LRM模块散热结构及仿真设计方法；其中散热结构包括用于安装印制电路板和发热芯片的冷板组件、设置冷板组件上的若干组热管、以及多组安装在冷板组件上且分别位于热管上方的导热组件；所述热管包括依次连接的蒸发段、绝热段和冷凝段；所述导热组件安装在冷凝段的上方；所述蒸发段位于冷板组件靠近发热芯片的上方。本发明具有LRM模块散热优化的普适性和扩展性(如变换导热组件布局、变换热管布局等)，同时，该设计方式以冷板组件为主导热面，保证了一定的材料厚度，可以适应不同印制电路板，发热芯片布局的LRM模块散热需求。
Description
技术领域
本发明涉及电子产品散热技术领域，更具体地讲，涉及一种LRM模块散热结构及仿真设计方法。
背景技术
随着航空电子系统发展形成了电子设备模块化设计理念，LRM(Line ReplaceableModule现场可更换模块)成为了系统安装结构上和功能上相对独立的各类通用单元的总称，LRM模块具有独立完整的功能，通过增加或升级模块可实现系统扩容和升级，模块具备标准的外形尺寸和机械电气接口，具备金属冷板和保护外壳以及故障检测功能，另外还可快速实现模块的故障定位。LRM标准主要用于航空、舰船及工业领域，目前在车载设备上也有所扩展。电子技术迅猛发展，计算机信号通信及处理技术在航空、舰船、车载设备等军用市场领域的需求越来越高，为满足复杂功能的技术实现，电子器件的封装密度不断提高，其热流密度不断增大，在器件功率不断增大的同时，电子设备的外形尺寸要求尽可能小，这些发展趋势导致电子设备过热问题越来越突出，而研究资料表明：半导体元件的温度每升高10℃，可靠性降低50％，电子设备过热问题成为了电子产品失效的主要原因之一，过热使得产品的寿命及可靠性大大降低，因此，良好散热措施的研究很有必要。
LRM模块的散热研究主要有传导散热、风冷散热及液冷散热几个方向，对于高热流密度的模块，利用电子机箱液冷设计来实现LRM模块整体降温逐渐成为散热研究发展的主流方向，而目前针对LRM模块到机箱的热阻网络的研究大多停留在理论研究上，因此需要一种可满足电子设备实际应用需求，不受发热芯片布局位置局限，又能满足模块可靠性的散热仿真分析及结构实现方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种LRM模块散热结构及仿真设计方法，具有LRM模块散热优化的普适性和扩展性(如变换导热铜块布局、变换热管布局等)，同时，该设计方式以冷板组件为主导热面，保证了一定的材料厚度，可以适应不同印制电路板，多种发热芯片布局的散热需求；
本发明解决技术问题所采用的解决方案是：
一方面：
一种LRM模块散热结构，安装在LRM模块上，用于对LRM模块上的发热芯片进行散热，包括安装在LRM模块上的冷板组件、设置冷板组件上且用于对LRM模块热量传递的若干组热管、以及多组安装在冷板组件上且分别位于热管上方的导热组件。
本发明将安装在机箱内；在使用时，冷板组件作为主导热件对于LRM模块热量进行吸收，热管将进一步吸收LRM模块的热量，随后通过导热组件将热量传递给机箱，有效降低接触热阻；
在一些可能的实施方式中，为了有效的实现对于LRM模块热量的吸收和传递；
所述热管包括依次连接的蒸发段、绝热段和冷凝段；所述导热组件安装在冷凝段的上方；所述蒸发段位于LRM模块上靠近热源的上方。
在一些可能的实施方式中，为了有效的实现LRM模块的安装和LRM模块所产生热量的传递；
所述冷板组件包括设置有凹槽的模块冷板、安装在凹槽内且与模块冷板一体成型的散热凸台；
所述印制电路板安装在凹槽内；所述散热凸台位于发热芯片与模块冷板的底部之间。
在一些可能的实施方式中，为了进一步实现传热；
在所述散热凸台的底部设置有导热衬垫。
在一些可能的实施方式中，为了有效的实现热管的安装；
在所述模块冷板的顶面设置有安装槽，所述热管嵌入式安装在所述安装槽内。
在一些可能的实施方式中，
所述热管、安装槽均为多组且一一对应设置。
在一些可能的实施方式中，为了有效的实现导热组件的传热；
所述导热组件为铜块。
在一些可能的实施方式中，
还包括设置有安装腔的下盖，所述安装腔与模块冷板的凹槽相互配合形成用于安装印制电路板的腔室。
在一些可能的实施方式中，为了进一步加强将实现将热量传递到机箱；
在所述冷板组件的外侧设置有两组锁紧条。
在一些可能的实施方式中，为了有效的实现冷板组件、导热组件、热管的连接，避免出现脱落；
所述冷板组件、导热组件、热管通过在其金属表面进行表面镀镍工艺处理后，采用钎焊的方式形成一个整体。
另一方面：
一种基于以上所述的LRM模块散热结构的仿真设计方法，具体包括以下步骤:
对散热结构进行建模；
对散热结构进行简化处理，使得简化后的散热结构包括冷板组件、热管、导热组件和安装盖；并导入仿真软件中进行边界条件设置；
对影响LRM模块散热仿真分析的结构进行三维建模；并假设液冷机箱的冷却结构为温度恒定的热沉；
传热方向及传热路径设计；
传热方向及传热路径具体是指：发热芯片—导热衬垫-模块冷板—热管—导热组件—冷却结构—液冷机箱；
仿真分析；
通过数值仿真分析结果，量化对比分标优化效果，得到优化后散热结构。
在一些可能的实施方式中，
在进行仿真分析前，具体包括以下步骤：
在印制电路板模型上模拟发热芯片的大小及位置；
对于发热芯片赋予相应的热功耗参数，对于散热结构赋予相应的材料属性、导热率、接触热阻；
设定冷却结构的恒温为30℃，环境温度30℃。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明通过在模块冷板上安装热管，通过将热管的蒸发段设置在LRM模块上靠近发热芯片的上方；模块冷板作为主导热件进行热量传递，热管将进一步进行热量传递，并通过导热组件与锁紧条将热量传递到机箱，有效降低接触热阻，实现更好地热量传递；
本发明能够根据LRM模块内部的印制电路板上的发热芯片布局，调整热管及导热组件的布局位置，满足不同印制电路板，多种发热芯片的散热需求；
本发明结构简单灵活、实用性强。
附图说明
图1为本发明与LRM模块安装后的结构示意图；
图2为本发明应用与3U板卡的结构示意图；
图3为本发明应用与6U板卡的结构示意图；
图4为采用传统散热方法3U板卡的壳体温度仿真云图；
图5为采用传统散热方法3U板卡的发热芯片温度仿真云图；
图6为采用传统散热方法3U板卡的切面温度仿真云图；
图7为本发明实施例1中的壳体温度仿真云图；
图8为本发明实施例1中的发热芯片温度仿真云图；
图9为本发明实施例1中的切面温度仿真云图；
图10为采用传统散热方法6U板卡的壳体温度仿真云图
图11为采用传统散热方法6U板卡的发热芯片温度仿真云图；
图12为采用传统散热方法6U板卡的切面温度仿真云图；
图13为本发明实施例2中的壳体温度仿真云图；
图14为本发明实施例2中的发热芯片温度仿真云图；
图15为本发明实施例2中的切面温度仿真云图；
其中：1、模块冷板；2、导热组件；3、热管；4、导热衬垫；5、锁紧条；11、印制电路板；12、发热芯片。
具体实施方式
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。本申请所提及的"第一"、"第二"以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，"一个"或者"一"等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。在本申请实施中，“和/或”描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。在本申请实施例的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指两个或两个以上。例如，多个定位柱是指两个或两个以上的定位柱。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面对本发明进行详细说明。
如图1-图3所示，一种LRM模块散热结构，
散热结构包括用于安装印制电路板和发热芯片的冷板组件、设置冷板组件上且用于热量传递的若干组热管3、以及多组安装在冷板组件上且分别位于热管3上方的导热组件2。
本发明将安装在机箱内，机箱可以为风冷机箱或自然散热机箱；在使用时，冷板组件作为主导热件对于热源所产生热量进行吸收，这里所描述的热源一般指发热芯片12，热管3将进一步吸收热量，随后通过导热组件2将热量传递给机箱，有效降低接触热阻；
在一些可能的实施方式中，为了有效的实现对于热量的吸收和传递；
所述热管3包括依次连接的蒸发段、绝热段和冷凝段；所述导热组件2安装在冷凝段的上方；所述蒸发段位于发热芯片12的上方。
热管3为一种现有的抽成真空的容器，一般划分为三部分：蒸发段、绝热段和冷凝段。在容器的内壁上设有与内壁形状相一致的毛细管芯，液相工质充满整个管芯，当工质受热后开始蒸发，蒸汽带着汽化潜热被输送到另一端冷凝，并放出汽化潜热，然后靠毛细泵力的作用使冷凝液返回到受热端完成一个循环，利用这种方法可以使热能高效率地从一段传至另一端。
本发明中采用在热管3内充满液相工质的方式实现散热；液相工质可以为水；在热对流的相变换热方式中，水沸腾的h值为2500～35000，蒸汽凝结的h值为5000～25000；在热对流的强制对流方式中，空气的h值为20～100，水的h值为1000～5000；在热对流的自然对流方式中，空气的h值为1～10，水的h值为200～1000，通过理论数据可以看出，相变换热的h值是强制对流中水冷的7～35倍，是风冷的350～1750倍。其对流换热系数的物理性质决定了热对流中相变换热方式的引入会大大提高LRM模块的散热性能。
在一些可能的实施方式中，为了有效的实现发热芯片12所产生热量的传递；
所述冷板组件包括底部设置有凹槽的模块冷板1、设置在凹槽内且与模块冷板1一体成型的的散热凸台；散热凸台的设置使得能够满足不同高度发热芯片12的散热需求；
所述印制电路板11安装在凹槽内；所述散热凸台位于发热芯片12与模块冷板1的底部之间。
散热凸台设置在发热芯片12的上方且安装在模块冷板1的底部，并与模块冷板1一体成型。
通过设计散热凸台的方式，能将多处热源铺开，通过多热管3的合理布局将热量快速地传至远端，而且模块冷板1的厚度尺寸可以保证成型热管3的厚度方向不至于压得太扁，从而获得热管3在嵌入安装时获得其典型状态下较大的传热量。
在一些可能的实施方式中，为了进一步实现传热；
在所述散热凸台的底部设置有导热衬垫4。
进一步，导热衬垫4位于散热凸台与发热芯片12之间。
在一些可能的实施方式中，为了有效的实现热管3的安装；
在所述模块冷板1的顶面设置有安装槽，所述热管3嵌入安装在所述安装槽内。
在一些可能的实施方式中，
所述热管3、安装槽均为多组且一一对应设置。
在一些可能的实施方式中，为了有效的实现导热组件2的传热；
所述导热组件2为铜块。
本发明中采用提高接触材料的导热系数的方式来有效降低接触热阻。在热管3相变换热的冷凝段通过钎焊的方式焊接导热组件2，导热组件2为铜块；优选的，导热组件2为紫铜，其延展性好、导热系数高，采用导热组件2与机箱液冷边界面大面积接触，从而达到有效降低接触热阻，实现更好地热量传递。
在一些可能的实施方式中，
还包括设置有安装腔的下盖，所述安装腔与凹槽相互配合形成用于安装印制电路板11的腔室。
在一些可能的实施方式中，为了进一步加强将实现热量传递到机箱；
在所述冷板组件上还设置有两组锁紧条5，两组锁紧条5位于LRM模块的两侧。
在一些可能的实施方式中，为了有效的实现冷板组件、导热组件2、热管3的连接，避免出现脱落；
所述冷板组件、导热组件2、热管3通过在其金属表面进行表面镀镍工艺处理后，采用钎焊的方式形成一个整体。
模块冷板1、散热凸台常常采用铝合金材料来制作，铜与铝合金材料的线膨胀系数不同，虽然经过表面处理后能采用成熟的工艺进行钎焊焊接，但是在复杂使用环境中以及温度循环试验后，依然存在接触面连接不可控的风险，从而增大铜、铝接触面的接触热阻，导致模块散热能力不能发挥到最优。优化设计时考虑到铜、铝零部件之间连接的强度，采用螺接的方式对铜块与铝件之间进行强度的加固设计，避免铜、铝焊接接触面脱落的风险。
以模块冷板1为主导热面，在保证一定的导热面材料厚度的情况下，热管3可以选择较粗管径，从而最大限度发挥热管3的传热能力；热管3的蒸发段与冷凝段可以在主导热面上灵活布局，最终将带到冷凝段的热量通过焊接散热铜块的方式传递到机箱的液冷边界面上，实现热能的高效传递；在主导热面与电路板发热芯片12的结合面上可以通过设计散热凸台的方式，能满足不同电路板，不同发热芯片12布局的散热需求。
实施例1：
如图2所示，本实施例为3U板卡的散热结构示意图；
3U板卡中，发热芯片12为两组共用一块印制电路板11，根据发热芯片12的数量在模块冷板1上设置有两组安装槽，采用两组热管3分别与两组发热芯片12配合，同时在两组散热凸台的底部均设置导热衬垫4，导热衬垫4位于发热芯片12的上方，散热凸台位于导热衬垫4与发热芯片12之间，散热凸台安装在印制电路板11上且位于模块冷板1的底部；两组热管3的蒸发段位于发热芯片12的上方，导热组件2为两组安装在模块冷板1上且分别位于两组热管3的冷凝段的上方；通过锁紧条5与助拔器的配合实现组装；
如图2所示，两条热管3可采用直管且平行设置，且其蒸发段位于两组发热芯片12的上方，此时可设置两组导热组件2位于两组蒸发段的上方。
实施例2：
如图3所示，本实施例为6U板卡的散热结构示意图；
在6U板卡中，发热芯片12为四组且共用一块印制电路板11，根据发热芯片12的数量设置在模块冷板1上设置有四组安装槽，采用四组热管3嵌入式安装在四组安装槽内且分别与四组发热芯片12配合，同时在模块冷板1的底部设置四组导热衬垫4，四组导热衬垫4分别位于四组发热芯片12的上方，四组散热凸台分别位于四组导热衬垫4上方且与模块冷板1一体成型；四组热管3的蒸发段位于发热芯片12的上方，导热组件2安装在模块冷板1上且分别位于四组热管3的冷凝段的上方；通过锁紧条5的配合实现组装。
在6U板卡中，对于四组热管3，可采用L型设计，两组相邻热管3的蒸发段可共用一组导热组件2。
另一方面：
一种LRM模块散热结构的仿真设计方法，具体包括以下步骤:
对散热结构进行建模；
对散热结构进行简化处理，使得简化后的散热结构包括冷板组件、热管、导热组件和安装盖；并导入仿真软件中进行边界条件设置；
对影响LRM模块散热仿真分析的结构进行三维建模；这里的所描述的其他结构具体为液冷机箱的冷却结构、锁紧条；并假设该冷却结构为温度恒定30℃的热沉；
在发明中，为尽量排除了机箱的影响因素，在仿真时，机箱采用液冷机箱，从而将有效的放大散热优化的数值对比；
传热方向及传热路径设计；
传热方向及传热路径具体是指：发热芯片12—导热衬垫4-散热凸台-模块冷板1—热管3—导热组件2—冷却结构—液冷机箱；
剔除锁紧条5的设计细节；
在印制电路板11模型上模拟发热芯片12的大小及位置；
对于发热芯片12赋予相应的热功耗参数，通过对发热芯片12设置不同的热功耗参数以及常规散热方案与优化方案可以评估该优化设计结构对发热芯片12及模块的冷却效果，进而通过模拟数值进行量化对比分析；
对于散热结构赋予相应的材料属性、导热率、接触热阻；并对通过印制电路板11进行散热的部分进行设计简化，赋予PCB的设计层数及板级覆铜率等相关参数；
仿真分析；
利用仿真软件的后处理模块，通过数值仿真分析结果，对整个散热设计优化模块进行散热优化效果的数值评估，从后处理的图片及对应点位的温度数值上量化对比分标优化效果。
之所以在仿真分析时假设液冷机箱冷却结构的冷却面的温度为恒温30℃，是为了放大对模块设计效果的冷却评估，减小液冷机箱传导等因素带来的仿真评估影响，仿真分析从液冷机箱冷却的仿真模拟来考虑；大多数液冷电子设备的冷却采用外置冷却设备，冷却液的进液口与出液口的温差相差不大，单模块接触到冷却结构的温差更小，故设为温度恒定为30℃的热沉来进行仿真分析。
针对3U板卡散热，采用实施例1的方案、常规传导散热方案进行仿真分析；
以环境温度为30℃，液冷机箱的热沉稳定在30℃为边界条件进行3U板卡散热仿真优化分析：
常规传导散热方案，仿真时，发热芯片12热功耗模拟为50W×2＝100W；
通过本方案，仿真时发热芯片12热功耗不变，模拟为50W×2＝100W；
图4～图6为采用现有常规传导散热方案3U板卡散热仿真图；
图7～图9为采用本发明的3U板卡散热仿真图，通过图4-图9散热数值仿真对比，可以看到在相同的热功耗情况下，通过散热数值仿真对比；本发明相对常规方案有约10.2℃的降温效果。
针对6U板卡散热，采用实施例2的方案、常规传导散热方案进行仿真分析；
以环境温度为30℃，液冷机箱热沉稳定在30℃为边界条件进行6U板卡散热仿真优化分析：
常规传导散热方案，仿真时，发热芯片12热功耗模拟为50W×4＝200W；
通过本方案，仿真时发热芯片12热功耗不变，模拟为50W×4＝200W；
图10～图12为采用现有常规传导散热方案6U板卡散热仿真图；
图13～图15为采用本发明的6U板卡散热仿真图，通过图10-图15散热数值仿真对比，可以明显地看到在相同的热功耗情况下，本发明相对现有常规传导散热方案的温度有约22.1℃的降温效果。
通过常规传导散热方案的LRM模块与优化散热方案的LRM模块的数值仿真对比，从定性和定量的角度可以直观地判断优化方案所带来的LRM模块散热改善效果，从而在设计方案阶段指导结构设计方法的实现。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。
Claims (10)
1.一种LRM模块散热结构，其特征在于，包括用于安装印制电路板和发热芯片的冷板组件、设置冷板组件上的若干组热管、以及多组安装在冷板组件上且分别位于热管上方的导热组件；所述热管包括依次连接的蒸发段、绝热段和冷凝段；所述导热组件安装在冷凝段的上方；所述蒸发段位于冷板组件靠近发热芯片的上方。
2.根据权利要求1所述的一种LRM模块散热结构，其特征在于，所述冷板组件包括底部设置有凹槽的模块冷板、设置在凹槽底部且位于发热芯片上方散热凸台；
所述印制电路板安装在凹槽内；所述散热凸台位于发热芯片与模块冷板的底部之间且与模块冷板一体成型。
3.根据权利要求2所述的一种LRM模块散热结构，其特征在于，在所散热凸台的底部设置有位于发热芯片上方的导热衬垫。
4.根据权利要求2所述的一种LRM模块散热结构，其特征在于，在所述模块冷板的顶面设置有安装槽，所述热管嵌入安装在安装槽内；所述热管、安装槽均为多组且一一对应设置。
5.根据权利要求1-4任一项所述的一种LRM模块散热结构，其特征在于，所述导热组件为铜块。
6.根据权利要求1-4任一项所述的一种LRM模块散热结构，其特征在于，还包括设置有安装腔的下盖，所述安装腔与模块冷板的凹槽相互配合形成用于安装印制电路板的腔室。
7.根据权利要求1所述的一种LRM模块散热结构，其特征在于，在所述冷板组件的外侧设置有两组锁紧条。
8.根据权利要求1所述的一种LRM模块散热结构，其特征在于，所述冷板组件、导热组件、热管通过在其金属表面进行表面镀镍工艺处理后，采用钎焊的方式形成一个整体。
9.一种基于权利要求1-8任一项所述的LRM模块散热结构的仿真设计方法，其特征在于，具体包括以下步骤:
对散热结构进行三维建模；
对散热结构进行简化处理，使得简化后的散热结构包括冷板组件、热管、导热组件和安装盖；并导入仿真软件中进行边界条件设置；
对影响LRM模块散热仿真分析的结构进行三维建模；并假设液冷机箱的冷却结构为温度恒定的热沉；
传热方向及传热路径设计；
传热方向及传热路径具体是指：发热芯片—导热衬垫—模块冷板—热管—导热组件—冷却结构—液冷机箱；
仿真分析；
通过数值仿真分析结果，量化对比分标优化效果，得到优化后散热结构。
10.根据权利要求9所述的一种LRM模块散热结构的仿真设计方法，其特征在于，在进行仿真分析前，具体包括以下步骤：
在印制电路板模型上模拟发热芯片的大小及位置；
对于发热芯片赋予相应的热功耗参数，对于散热结构赋予相应的材料属性、导热率、接触热阻；
设定液冷机箱冷却结构的恒温为30℃，环境温度30℃。
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| CN202311213568.7A CN117279192A (zh) | 2023-09-19 | 2023-09-19 | 一种lrm模块散热结构及仿真设计方法 |
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