基于高性能信息处理模块的相变散热技术研究

王苑瑾 张 赛 刘 兵 朱正鹏 杨文良

1.北京航天自动控制研究所，北京100854 2.火箭军装备部驻北京地区第四军事代表室，北京100854

随着集成电路技术的迅速发展，航天综合电子系统功能与性能不断提升[1]，大数据量高速处理与传输、实时操作系统、任务迁移与规划等方面需求越发迫切，集成化、小型化及国产化设计成为综合电子系统的发展趋势[2-3]。

信息处理模块作为综合电子系统的核心控制模块，轻量化、紧凑化及国产化设计会导致芯片产生的热量集中并难以快速高效扩散[4-5]。温度的迅速升高，导致元器件失效率指数增长[6]。工业领域采用的风冷、液冷等方式的散热系统设计复杂，可靠性较低、维修性较差[7]，难以在航天领域中应用[8]。因此高功耗功能模块热设计成为亟待解决的技术难点[9]。

本文针对高性能信息处理模块的元器件布局、功耗特性及工作温度进行分析[10]，采用相变储能散热技术，设计一种具有大容量热沉功能，高导热率，快速实现能量转化功能的小体积换热模块，短时快速吸收大量热能，在要求的工作时间内，保证模块稳定工作。同时通过热仿真试验及散热性能测试试验，验证相变储能模块对高功耗芯片的控温能力。

1 高性能信息处理模块实现方案

1.1 信息处理模块的基本功能

信息处理模块作为综合电子系统的核心控制模块，完成数学方程计算、信息处理与IO控制、数据存储、电压监测、信息与数据交互、以太网总线协议和总线通信等功能。本模块采用国产化处理器与SOC协同控制策略，其中国产化处理器工作主频可达1GHz，具有DDR3存储功能，支持大数据量高速处理与传输、实时操作系统、任务规划与迁移和机器学习算法等。

信息处理模块采用标准6U VPX结构，设计3组处理单元实现三冗余控制策略，同时支持SRIO、422通信、千兆以太网、GTX、开关量输入和GPIO等接口，可实现数据与信息交互功能。

1.2 信息处理模块硬件组成

信息处理模块由3组处理单元组成，模块硬件实物如图1所示，在标准6U VPX结构尺寸下，实现3个处理器与3个SOC的硬件配置。

图1 信息处理模块硬件实物图

处理单元是控制核心，每个信息处理单元分为供电区、存储区、接口区、控制区及监测区5个功能区，如图2所示。

图2 处理单元硬件组成示意图

1)供电区，对输入电压进行电压转换，提供各类元器件的工作电压；

2)存储区，为处理器与SOC芯片提供数据存储空间，实现对图像数据、计算数据及程序存储；

3)控制区，是处理单元的核心部分，采用处理器与SOC协同控制方式，处理器运行实时操作系统及控制算法，对处理器中的两个核及其资源进行统一管理，实现分区及迁移功能。SOC运行时间触发以太网协议，实现总线控制、网络通信调度管理、全网时间同步算法、故障检测等功能。处理器与SOC之间支持422通信、PCIE通信等接口；

4)接口区，支持开关量采集接口、千兆以太网通信接口等，可实现外部开关量控制功能、高速通信数据传输功能；

5)监测区，通过温度传感器与电压测试模块实现对高功耗芯片温度与电压情况实时监测功能。

1.3 信息处理模块硬件功耗分析

根据1.2节描述，可以看出信息处理模块高功耗芯片较为集中，因此需要设计功耗管控策略，在满足工作需求的情况下，降低模块发热量。模块设计工作模式与低功耗待机2种模式。1)工作模式：处理器、SOC处理器、千兆以太网芯片启动并运行程序与操作系统；2)低功耗待机模式：通过软件控制处理器、SOC处理器及千兆以太网芯片启动芯片低功耗状态。通过对信息处理模块的实际测量与理论分析，在工作状态下各个芯片的功耗分析如表1。

表1 芯片功耗情况统计

2 相变储能模块实现

2.1 相变储能模块设计与仿真

根据1.2节所述的信息处理模块硬件组成情况及1.3节表1中的芯片功耗情况，结合信息处理模块结构尺寸设计相变储能模块，并用热仿真软件FLOEFD进行热仿真试验。

相变储能模块采用铝合金结构冷板外壳，内部填充自研相变工质，在高功耗处理器、SOC处理器与电源芯片处设计凸台。仿真模型建立时将相变储能模块划分为网格，网格数为120万左右。初始温度设置为25℃，模型如图3所示。

图3 相变储能模块模型

针对模型设置仿真条件：在室温环境中，设备以最大功耗70W工作时，芯片温度不超过75℃(控制最高工作温度85℃以下的10℃)。考虑芯片与凸台之间的接触热阻并且对外换热情况为绝热。通过仿真，可评估出在添加相变材料后，相变储能模块对芯片的控温和散热能力。

通过仿真结果，观察处理器与SOC芯片的最高温度随时间的变化情况，具体数据如表2。

表2 芯片的最高温度随时间变化数据

芯片中的最高温度出现在处理器2的位置，芯片温度要求不超过75℃。由测试数据可知，该芯片最高温度到达75℃的时间为加热的第53min，到达85℃的时间为加热的第62min。

由仿真可知，相变储能模块中的相变材料熔化率随时间变化情况的具体数据如表3所示。

表3 相变材料熔化率随时间变化数据

对比熔化率变化数据与芯片最高温度变化数据，可以发现在相变材料开始融化时，芯片最高温度变化幅度较小，进入平台期。当相变材料熔化率较高时，芯片最高温度上升速度明显变快，可见相变材料对于芯片最高温度起到了较好的控制作用。

2.2 相变储能模块工程实现

根据1.3节所述的信息处理模块功耗情况统计及2.1节所述相变储能模块的仿真结果，同时考虑信息处理模块的工作工况，即工作模式下，稳定可靠工作1小时。针对高功耗信息处理模块散热问题，设计相变材料与散热冷板相结合的散热方式，冷板外壳采用铝合金结构，表面阳极氧化处理，内部填充自研相变工质，体积为233×160×20mm3，模块内部相变工质中添加多孔介质以增加相变材料的导热性能。同时在处理器、SOC处理器及电源转换芯片处设计凸台，将高功耗器件与散热冷板充分接触，提高导热性能，相变储能模块实物如图4所示。

图4 相变储能模块实物

3 试验与结果分析

3.1 散热性能测试试验平台设计与搭建

针对相变储能模块散热性能测试试验，验证模块对芯片的控温和散热能力。试验平台主要由以下设备组成(表4)。

表4 试验设备明细表

本次测试实验模拟相变模块在表1所示2种模式下，即实际工作模式、最大功耗模式，对芯片的控温和散热能力。通过定功率加热控制电源提供加热功率至加热片处，模拟48W实际工作功耗及70W最大功耗的加热功率，加热片摆放位置如图5所示,各散热片参数如表5所示,测试工件如图6所示。

图5 各加热片摆放位置

表5 加热片的相关参数

图6 测试工件

考虑到A组芯片的功率较高，产生的热量最多，同时尺寸最小，造成局部热流密度大，需要重点监测其附近的温度变化。测温时，只需测A组芯片台阶附近的温度，即设置3个凸台处3个测温点A1、A2和A3，测温点位置如图7所示。

图7 测温点位置

3.2 试验结果分析

将加热片用导热硅脂和耐高温胶带固定在芯片凸台上，并用毛毡贴合在加热片上(保温作用)；连接电源并在每5min进行一次温度数据存储，2种工作模式的测试结果如图8和9所示。

图8 实际工作模式温升曲线(48W)

根据图8可以得出，当过了40min后，温度上升趋势趋于稳定，温度最高点在测点A1处，温度为54.9℃；温度最低点在测点A2处，温度为46.9℃。过了115min后，温度上升趋势加快，温度最高点在测点A1处，温度为70.1℃；温度最低点在测点A2处，温度为60.2℃。

图9 最大功耗模式温升曲线(70W)

根据图9可以得出，当过了40min后，温度上升趋势趋于稳定，温度最高点在测点A1处，温度为62.2℃；温度最低点在测点A2处，温度为56℃。过了75min后，温度上升趋势加快，温度最高点在测点A1处，温度为73.4℃；温度最低点在测点A2处，温度为65.8℃。

对上述2种工作模式的温升曲线数据进行分析，可以得出以下结论：

1)本测试试验通过模拟实际工作模式与最大功耗模式的工况，在设计的散热结构中相变材料未达到相变温度时，相变储能模块温度随时间上升迅速；当达到相变材料的相变温度时，相变储能模块温度上升速度放缓并逐渐维持稳定；

2)在实际工作模式(48W)情况下，本次设计的散热结构能够保证工件实际连续工作30min使其温度不超过50℃。在本次测试中，工件表面温度上升至75℃用时2h10min，工件表面温度升至85℃用时2h30min。测试期间工件未出现损坏；

3)在最大功耗模式(70W)情况下，本次设计的散热结构能够保证工件实际连续工作30min使其温度不超过55℃，满足设计要求。在本次测试中，工件表面温度上升至75℃用时1h20min，工件表面温度升至85℃用时1h35min。测试期间工件未出现损坏。

与2.1节仿真试验结果对比，测试出现误差，主要有2点原因：

1)相变储能模块采用工质为多组分混合，相变潜热谱带较宽，为确保在极限条件下稳定工作，仿真中采用了最低相变潜热值进行仿真，造成了一定仿真误差；

2)模拟真实情况，散热性能测试试验中选用了可调加热片，但难以保证实际功耗一直稳定达到仿真时的理想数值，仅能评估平均功耗，造成一定的测试误差。

4 结论

针对高功耗信息处理模块的元器件布局、功耗特性、结构特点及工作温度，提出一种基于相变材料的散热解决方案。采用相变储能散热技术，设计一种具有大容量热沉功能，高导热率的相变储能模块。通过仿真试验与散热性能测试试验，验证相变储能模块在实际功耗模式与最大功耗模式的情况下，对高功耗芯片的控温和散热能力，有效满足高功耗信息处理模块的散热要求。目前，该散热解决方案已应用于新一代运载火箭电气产品中，为航天产品散热技术的发展，提供了有力的技术支撑。