基于ASAAC標(biāo)準(zhǔn)穿通風(fēng)冷模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

黃賢浪

摘要：隨著電子設(shè)備熱流密度的提高，電子元器件的散熱設(shè)計(jì)在電子設(shè)備的設(shè)計(jì)中越來越重要，甚至可能成為設(shè)備進(jìn)一步集成的關(guān)鍵因素。目前能額外提供環(huán)控風(fēng)、液冷源等特殊散熱環(huán)境的電子設(shè)備使用平臺(tái)較少，大多電子設(shè)備依然依賴于設(shè)備自身設(shè)計(jì)強(qiáng)迫風(fēng)冷系統(tǒng)完成散熱。主要研究了基于ASAAC標(biāo)準(zhǔn)穿通風(fēng)冷模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以期為相關(guān)人員提供參考。

關(guān)鍵詞：電子設(shè)備;LRM模塊標(biāo)準(zhǔn);結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);散熱設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TN60

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI： 10.15913/j.cnki.kjycx.2019.11.063

為滿足電子設(shè)備的維修需求，同時(shí)提高日益復(fù)雜和高度集成的電子系統(tǒng)的可靠性和容錯(cuò)能力，便于擴(kuò)展、改裝，降低開發(fā)、維修費(fèi)用，多數(shù)綜合化的電子設(shè)備采用了LRM模塊化的設(shè)計(jì)思路。ASAAC標(biāo)準(zhǔn)模塊是歐洲參照美國(guó)相關(guān)軍用標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)的一種LRM模塊標(biāo)準(zhǔn)，已經(jīng)廣泛運(yùn)用于軍品和民用電子產(chǎn)品。

目前基于ASAAC標(biāo)準(zhǔn)的綜合化電子設(shè)備常用的強(qiáng)迫風(fēng)冷方式主要分為傳導(dǎo)冷卻和穿通強(qiáng)迫風(fēng)冷冷卻。其主要區(qū)別在于傳導(dǎo)路徑的不同，二者傳導(dǎo)路徑如圖1和圖2所示。直觀可見，穿通強(qiáng)迫風(fēng)冷較傳導(dǎo)冷卻少一個(gè)熱阻，其效率相對(duì)較高，并可以省去冷板設(shè)計(jì)，這種結(jié)構(gòu)形式使用日益增多。區(qū)別于模塊化的傳導(dǎo)冷卻方式和獨(dú)立電子設(shè)備的強(qiáng)迫風(fēng)冷方式，基于穿通風(fēng)冷的綜合電子設(shè)備模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、散熱設(shè)計(jì)和屏蔽設(shè)計(jì)等方面有所差異。就一般穿通風(fēng)冷模塊和傳導(dǎo)風(fēng)冷模塊在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、散熱和防護(hù)設(shè)計(jì)等方面的差異進(jìn)行總結(jié)，并介紹一般穿通風(fēng)冷模塊的設(shè)計(jì)形式。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于ASAAC標(biāo)準(zhǔn)的LRM模塊如圖3所示，主要由模塊主體、起拔器、鎖緊條和對(duì)外連接器組成。

1.1 起拔器

作為L(zhǎng)RM模塊的標(biāo)準(zhǔn)配置，起拔器可以實(shí)現(xiàn)快速LRM插拔。起拔器以安裝螺釘為轉(zhuǎn)軸，長(zhǎng)邊作為手動(dòng)施加力矩，短邊與機(jī)架安裝面作用，帶動(dòng)模塊沿模塊肋條方向運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)插入或拔出模塊。

穿通風(fēng)冷模塊的起拔器作用等同于一般傳導(dǎo)模塊的作用，但是一般而言，基于傳導(dǎo)模塊的綜合機(jī)架一般采用密封設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)有前蓋板，使用的起拔器不宜太凸出模塊前端面。對(duì)于兩層及以下的穿通風(fēng)冷機(jī)架，一般不設(shè)計(jì)前蓋板，使用的起拔器也更為自由。

1.2 鎖緊條

一般基于傳導(dǎo)冷卻的ASAAC模塊，其鎖緊肋條一般厚度為7 mm，除去增強(qiáng)模塊的剛度外，可以更多地傳遞熱量，且一般的傳導(dǎo)冷卻模塊為減小熱阻會(huì)使用鎖緊條，鎖緊條根據(jù)模塊的重量和力學(xué)振動(dòng)量級(jí)而定。

穿通風(fēng)冷模塊主要通過模塊的側(cè)面進(jìn)行強(qiáng)迫風(fēng)冷，模塊肋條的散熱作用較弱。為此其模塊肋條可以設(shè)計(jì)得更薄，一般其厚度為2.5-3 mm。對(duì)于振動(dòng)量值不高，重量不大的模塊甚至可以取消鎖緊條，采用鎖緊力較小但是更為快速的鎖緊方式。

1.3 對(duì)外連接器

為實(shí)現(xiàn)模塊的快速維護(hù)，一般模塊的信號(hào)通過模塊背后的連接器實(shí)現(xiàn)對(duì)外電氣互聯(lián)。對(duì)于有軟件升級(jí)需求或監(jiān)測(cè)的模塊，其正前面可以設(shè)計(jì)調(diào)試口，并設(shè)計(jì)小蓋板封堵，以滿足電磁屏蔽要求。隨著模塊功能性能提升，對(duì)外電氣信號(hào)接口需求數(shù)量日益增多，目前常用的有LRM系列連接器，其具有多低頻、射頻，大電流、光信號(hào)的傳輸需求。LRM連接器如圖4所示。

1.4 模塊主體結(jié)構(gòu)形式

模塊主體作為承載電路印制板和元器件的主要部分，通過蓋板加盒體的結(jié)構(gòu)形式拼裝而成。對(duì)于數(shù)字信號(hào)類模塊，其器件/芯片抗電磁干擾能較強(qiáng)，在模塊內(nèi)部一般不做更多的屏蔽設(shè)計(jì);對(duì)于模擬信號(hào)類模塊，內(nèi)部需要根據(jù)器件/芯片抗電磁干擾能力進(jìn)行屏蔽設(shè)計(jì)。模擬信號(hào)類模塊內(nèi)部的屏蔽設(shè)計(jì)一般通過三種方式實(shí)現(xiàn)，分別是盒體增加金屬件屏蔽體、蓋板上增加屏蔽隔斷、印制板上使用器件封裝。

模塊的開蓋方式有單面開蓋和雙面開蓋，一般由內(nèi)部的電氣功能屏蔽需求和內(nèi)部器件數(shù)量決定。對(duì)于雙面開蓋的傳導(dǎo)模塊，為避免蓋板與盒體接觸面的熱阻，芯片熱量可以通過模塊內(nèi)部的金屬面導(dǎo)至模塊肋條處。無論雙面開蓋還是單面開蓋，穿通風(fēng)冷模塊的芯片熱量都須導(dǎo)至蓋板上。單面開蓋模塊結(jié)構(gòu)形式如圖5所示。

1.5 表面涂覆與防護(hù)設(shè)計(jì)

對(duì)于傳導(dǎo)冷卻模塊，為減小接觸熱阻，模塊肋條和機(jī)架接觸面均不噴涂油漆，一般傳導(dǎo)冷卻機(jī)架為封閉結(jié)構(gòu)，能為傳導(dǎo)冷卻模塊提供一定的防護(hù)。

傳統(tǒng)風(fēng)冷模塊直接暴露于外界環(huán)境中，需要直接面對(duì)大氣環(huán)境;模塊外表面不起傳導(dǎo)散熱作用，為此，一般將模塊后部的導(dǎo)電面外的其余表面全部噴涂油漆。由于油漆的厚度精度遠(yuǎn)低于機(jī)械加工面精度，在實(shí)際生產(chǎn)過程中，需要預(yù)留產(chǎn)品油漆尺寸，并嚴(yán)格控制油漆厚度。

2 散熱設(shè)計(jì)

傳導(dǎo)與穿通風(fēng)冷模塊最大的區(qū)別在于散熱路徑的不同，二者在散熱設(shè)計(jì)上也存在較大差異。

穿通風(fēng)冷模塊的芯片熱量傳遞路徑為：芯片表面>導(dǎo)熱墊（脂）>模塊蓋板及散熱齒>冷卻風(fēng)。對(duì)于熱流密度較高的芯片，對(duì)應(yīng)蓋板的散熱處還應(yīng)當(dāng)設(shè)計(jì)散熱齒。一般散熱齒應(yīng)當(dāng)平行于冷卻冷的流向，并在該方向留出暢通的通道。對(duì)于較大的散熱設(shè)計(jì)金屬塊，可以進(jìn)一步在其上設(shè)計(jì)散熱齒，以減輕重量，具體散熱設(shè)計(jì)如圖6所示。

對(duì)于蓋板上的散熱齒，可以根據(jù)熱流分布適當(dāng)削減，尤其對(duì)于靠邊的散熱齒，在不影響蓋板強(qiáng)度的前提下可以削減。對(duì)于兩層穿通風(fēng)冷的機(jī)架，為盡量減小出風(fēng)口模塊對(duì)入風(fēng)口模塊的散熱風(fēng)量影響，在設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)上下層模塊的散熱齒從同一起始位置算起，按照一定間隙規(guī)律朝一個(gè)方向延伸。相對(duì)于傳導(dǎo)散熱，穿通冷卻模塊的蓋板（或盒體）無需在導(dǎo)熱路徑上將熱全部導(dǎo)至肋條處，蓋板（或盒體）可以除去加強(qiáng)和散熱處，將其設(shè)計(jì)得更薄。

3 結(jié)束語

穿通風(fēng)冷模塊盡管提升了散熱效率，有利于減重，但相對(duì)傳導(dǎo)冷卻在電磁屏蔽和電磁防護(hù)方面具有的優(yōu)勢(shì)，穿通風(fēng)冷結(jié)構(gòu)形式有待進(jìn)一步研究提升。且該模塊雖然可以優(yōu)化模塊間隙形成的狹長(zhǎng)風(fēng)道寬度，但結(jié)合散熱齒和模塊熱耗參數(shù)，提升散熱效率也是亟需解決的問題。