基于6U_VPX主板的铝基均热板散热性能实验研究_李翊.pdf

基于6 U V P X主板的铝基均热板散热性能实验研究*李 翊(海军装备部驻西安地区军事代表局,陕西 西安 7 1 0 0 5 4)摘 要:针对某6 U V P X高性能主板发热器件众多、总热功耗大导致的散热难题,开展了铝基均热板散热盒的工程应用实验研究。测试结果表明:常温2 8 环境中,自然散热工况下铝基均热板散热盒无法满足主板散热要求,风冷散热工况下,铝基均热板散热盒上最大温差为7.2,C P U和D S P芯片最大结温分别为4 5 和5 0;高温6 0 环境中,均热板上最大温差为6.7,C P U和D S P芯片最大结温分别为8 5 和8 3,低于允许结温1 0 5。由此可知,铝基均热板散热盒散热性能显著,配合风冷工况可以满足标准6 U V P X高性能大功耗主板的散热需求,是解决主板散热困难的有效手段。关键词:V P X主板;均热板;散热性能;实验研究中图分类号:T K 1 2 4文献标志码:Ad o i:1 0.3 9 6 9/j.i s s n.1 0 0 7-1 3 0 X.2 0 2 3.0 6.0 0 5E x p e r i m e n t a l r e s e a r c h o n h e a t d i s s i p a t i o n p e r f o r m a n c e o f a l u m i n o u s v a p o r c h a m b e r b a s e d o n 6 U V P X m o t h e r b o a r dL I Y i(N a v a l E q u i p m e n t D e p a r t m e n t M i l i t a r y R e p r e s e n t a t i v e O f f i c e i n X ia n R e g i o n,X ia n 7 1 0 0 5 4,C h i n a)A b s t r a c t:A i m i n g a t t h e h e a t d i s s i p a t i o n p r o b l e m o f a 6 U V P X h i g h-p e r f o r m a n c e m o t h e r b o a r d w i t h m a n y h e a t i n g d e v i c e s a n d l a r g e t o t a l t h e r m a l p o w e r c o n s u m p t i o n,A n e n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o n e x p e r i m e n-t a l r e s e a r c h o n t h e a l u m i n o u s v a p o r c h a m b e r i s c a r r i e d o u t.T h e t e s t r e s u l t s s h o w t h a t t h e a l u m i n o u s v a-p o r c h a m b e r c a n n o t m e e t t h e h e a t d i s s i p a t i o n r e q u i r e m e n t s o f t h e m o t h e r b o a r d u n d e r n a t u r a l h e a t d i s s i-p a t i o n c o n d i t i o n s a t t h e n o r m a l t e m p e r a t u r e o f 2 8,t h e m a x i m u m t e m p e r a t u r e d i f f e r e n c e o n t h e a l u-m i n o u s v a p o r c h a m b e r i s 7.2 u n d e r t h e a i r-c o o l e d h e a t d i s s i p a t i o n c o n d i t i o n,a n d t h e m a x i m u m j u n c-t i o n t e m p e r a t u r e o f t h e C P U a n d D S P c h i p s i s 4 5 a n d 5 0 r e s p e c t i v e l y.T h e m a x i m u m t e m p e r a t u r e d i f f e r e n c e o n t h e a l u m i n o u s v a p o r c h a m b e r i s 6.7 a t a 6 0 -h i g h t e m p e r a t u r e e n v i r o n m e n t,a n d t h e m a x i m u m j u n c t i o n t e m p e r a t u r e o f t h e C P U a n d D S P c h i p s i s 8 5 a n d 8 3 r e s p e c t i v e l y,w h i c h i s l o w-e r t h a n t h e a l l o w a b l e j u n c t i o n t e m p e r a t u r e o f 1 0 5.I t i s c o n c l u d e d t h a t t h e h e a t d i s s i p a t i o n p e r f o r m-a n c e o f t h e a l u m i n o u s v a p o r c h a m b e r i s r e m a r k a b l e,a n d i t c a n m e e t t h e h e a t d i s s i p a t i o n r e q u i r e m e n t s o f t h e s t a n d a r d 6 U V P X h i g h-p e r f o r m a n c e a n d h i g h-p o w e r c o n s u m p t i o n m o t h e r b o a r d w i t h a i r-c o o l i n g c o n-d i t i o n s,w h i c h i s o n e o f t h e e f f e c t i v e m e t h o d s t o s o l v e t h e h e a t d i s s i p a t i o n d i f f i c u l t y o f t h e m o t h e r b o a r d.K e y w o r d s:V P X m o t h e r b o a r d;v a p o r c h a m b e r;h e a t d i s s i p a t i o n p e r f o r m a n c e;e x p e r i m e n t a l r e s e a r c h1 引言随着嵌入式计算机主板性能不断提高、功能不断增多,板上元器件数量快速增加,大功耗器件越来越密集,布线间距不断缩小,印制板叠层不断增加,导致主板的热流密度急剧攀升1,2,其散热问题越来越突出,热可靠性难以保障,采用新型高效传导散热技术已成为必然选择。嵌入式计算机高性能主板散热的现有技术主*收稿日期:2 0 2 2-0 3-2 2;修回日期:2 0 2 2-1 0-1 8通信地址:7 1 0 0 5 4 陕西省西安市海军装备部驻西安地区军事代表局A d d r e s s:N a v a l E q u i p m e n t D e p a r t m e n t M i l i t a r y R e p r e s e n t a t i v e O f f i c e i n X ia n R e g i o n,X ia n 7 1 0 0 5 4,S h a a n x i,P.R.C h i n a C N 4 3-1 2 5 8/T PI S S N 1 0 0 7-1 3 0 X 计算机工程与科学C o m p u t e r E n g i n e e r i n g&S c i e n c e第4 5卷第6期2 0 2 3年6月 V o l.4 5,N o.6,J u n.2 0 2 3 文章编号:1 0 0 7-1 3 0 X(2 0 2 3)0 6-0 9 8 7-0 8要有4类:铝合金散热盒、热管散热盒、液冷板散热盒和均热板散热盒。铝合金散热盒由于具有加工简单、成本低、可靠性高等优点,应用最为广泛,但其散热能力相对较低,只适用于热功耗较低的主板。热管散热盒应用于总功耗大但高功耗器件较少的主板,尤其对热流密度较高的单个器件有很好的效果,但对散热盒厚度方向的空间要求较大,且广泛应用的铜热管与铝合金散热盒需要镀镍再焊接,对散热盒表面处理有较大影响。液冷板散热盒仅适用于具备液冷条件的情况,且存在安全性和可靠性顾虑,在嵌入式计算机中目前应用较少。均热板散热盒是目前快速发展的一种新型高效散热设备,具有重量轻、体积小、导热效率高、均温性好等优点,非常适合于热功耗大且发热器件数量众多的主板,在厚度空间非常有限的主板上也有很好的应用前景,是解决高性能主板散热困难的有效途径之一3。均热板的散热原理是通过全密闭真空腔内液体工质的蒸发与凝结来实现热量快速传递,其结构主要由金属壳体、吸液芯、支撑柱和液体工质等组成,其工作原理及结构如图1所示。近年来,铝基均热板的研究与开发已成为热控领域的热点之一。F i g u r e 1 W o r k i n g p r i n c i p l e a n d s t r u c t u r e o f t h e v a p o r c h a m b e r图1 均热板的工作原理及结构均热板的理论研究多为数学建模,如结合毛细理论研究相变界面蒸发传热模型、基于二维热阻网络预测均热板内部温度分布等,主要分析吸液芯结构、孔隙率、工质流动规律等的影响4。数值仿真目前尚无法准确仿真出均热板内部流场及毛细驱动过程,文献5 针对型号应用提出了一种等效替代仿真分析方法,能够快速获得工程应用可参考的仿真结果。均热板影响因素的研究多集中在结构形式、制造工 艺、液 体 工 质、环 境 工 况、工 程 应 用 等 方面3 1 1。结构形式上重点研究吸液芯结构,包括微槽道、金属丝网、粉末烧结、泡沫金属等6,7,1 1。微槽道吸液芯结构简单、加工方便、成本低,但液体工质的毛细驱动力较小,均温性能相对较差;金属丝网吸液芯具有孔隙率大、厚度更薄、结构规则、柔性较好等优点,但毛细驱动力较小;粉末烧结吸液芯的毛细驱动力大,是目前应用最广泛、技术也最成熟的吸液芯结构,但其渗透性较差;泡沫金属吸液芯具有较大的毛细驱动力和孔隙率,但结合强度较低、力学性能较差。制造工艺涉及工序较多,关键在于毛细芯烧结、壳体焊接、工质注入、真空处理等环节6。文献8 研究了均热板热阻与充液率的关系,指出相同热功耗下充液率为6 0%时热阻最低。不同环境工况下的散热性能和工程应用方面的研究相对较少3,5,9,1 0。文献9 分析了丝网数目、工质和温度的影响,结果表明丝网数目愈大传热量愈大,水工质的均热板优于乙醇和丙酮。文献1 0 研究了工质R 1 2 3 3 z d的均热板在不同热源功率和冷源温度下的表面温度分布情况,结果表明均热板有较好的均温效果和导热性能。文献3,5 基于型号产品,实验对比了应用于主板的铝合金散热