基于MPC7410的信号处理板热设计

2009年第 2 期 声学与电子工程 总第 98 期基于MPC7410的信号处理板热设计葛新法(第七一五研究所，杭州，310012)摘要用热阻法、计算流体动力学（CFD）热分析工具对4片MPC7410组成的信号处理板在强迫风冷和传导两种冷却方式下的板级热设计作了分析。

提出了满足舰船使用要求的单板热设计的要点，可以作为系统级热设计的基础。

关键词 MPC7410；信号处理板；板级热设计PowerPC是上世纪90年代IBM和Motorola公司共同开发的高性能RISC处理器，主要针对服务器、工作站和嵌入式系统。

G4系列PowerPC是Motorola公司1999年推出，最初针对Apple电脑，后在嵌入式高速信号处理系统中大量应用。

MPC7410 是G4系列的典型代表，目前占据国内外专用嵌入式系统处理器的较大份额。

PowerPC MPC7410的典型功耗为5.5 W[1]，4片MPC7410组成的6U尺寸信号处理板的功耗接近40 W。

因此，对MPC7410组成的信号处理板进行早期的板级热设计，对后期的系统热设计有指导意义，将芯片的结温控制在推荐的工作温度范围内，对整机的可靠性至关重要。

1 MPC7410芯片的封装与功耗MPC7410芯片采用陶瓷球栅阵列(CBGA)封装，外形25 mm×25 mm，360个焊球。

陶瓷芯片全气密封装，具有良好的电气性能和热性能，可靠性高。

图1是芯片的封装图[2]。

CBGA封装芯片陶瓷基座的导热系数约为18 W/(m•K)，因此整体导热性能比其它塑料球栅阵列封装（PBGA）方式高。

根据MPC7410器件手册，芯片结的温度T j必须控制在−40℃～105℃之间芯片才能正常工作。

芯片按照JEDEC标准测试的各种热阻见表1[1]。

由于实际单板的PCB结构、使用环境与JEDEC标准测试条件的差别，表1中的热阻参数仅能作为同等使用条件下与其它替换芯片的热性能对比参考，而不能直接用来计算T j[3]。

MPC7410芯片在内核时钟500MHz时的典型功耗约为5.5 W，表2是MPC7410与其它一些主流高端DSP芯片的功耗对比。

陶瓷基座Die结焊球图1 MPC7410的封装表1 MPC7410的热阻测试条件项目芯片热阻(K/W)自然对流R ja 182S2P四层板1 m/s对流R ja 142S2P四层板2 m/s对流R ja 13结到元件底部的热阻R jb 9结到壳的热阻R jc <0.1表2 主流高端DSP芯片的功耗芯片型号TS101 TS201 MPC7410C64X单片典型功耗(W) 1.8 3 5.51.5单板处理芯片数量8 6 4 8单板功耗(W) 25 25 40 25工作频率（MHz）300 600 500 6002 MPC7410单板热设计MPC7410组成的信号处理单板通常还包括专用的桥芯片、接口芯片、存储芯片等。

图2是一种4片MPC7410组成的6U×160 mm规格单板，整板功耗约40 W。

单板的热设计需要考虑不同散热条件下元件在板上的布置位置、热界面材料的选用、接触热阻的控制以及板级散热的强化措施等。

图2 4片MPC7410组成的6U单板2.1强迫风冷下单板的热设计2.1.1强迫风冷下的传热路径在强迫风冷的散热方式下，芯片耗散热量的热流路径见图3[3]，结产生的热一部分通过芯片周围的冷却空气带走（图中芯片外部箭头），一部分通过焊球、陶瓷基座传导到PCB 板后由PCB 板的对流带走（图中芯片内部箭头）。

图4是芯片的传热热阻网络。

结产生的热主要通过两条路径传递，类似于电路理论中的并联路径。

图3芯片结的热流路径图4 单板强迫风冷下芯片的热阻网络图4中，t Q 表示芯片的总功耗；j T 表示结的温度；c Q 表示经由芯片表面散去的热量；pcb Q 表示由PCB 表面散去的热量；j c R −表示结到壳的热阻；h 表示芯片表面或PCB 表面的对流换热系数（W/(m 2•K)）；c A 表示壳的表面积，pcb A 表示PCB 板的表面积；1/(hA c )及1(/hA pcb )分别表示芯片表面和PCB 表面的对流换热热阻；j b R −表示结到元件底部的热阻；pcb b R −表示元件底部到PCB 板的热阻；。

由图4可得出：pcb t c Q Q Q =+ （1）(1/)j f c j c c T T Q R hA −−=+ （2） pcb pcb pcb (1/)j f j b b T T Q R R hA −−−=++ （3）由于芯片内部封装的复杂性，由式（1）～(3)很难求得解析解而只能借助于CFD 分析工具。

在冷却风流速不高的情况下，芯片表面或PCB 表面的对流换热系数约20W/(m 2•K)。

由于芯片的表面积很小，在表面没有散热器时，大约只有10％～20％的热通过芯片表面散掉。

因此图4中的pcb Q 占主要成分，热量主要通过PCB 板的对流换热带走。

在CFD 中，单板置于有限容积内，在入口施加进口风作为边界条件，如图5。

其中K x 、K y 是平行于PCB 板的导热系数，K z 是PCB 板法向的导热系数。

模型中设置PCB 的板内导热系数15 W/(m•K)，法向导热系数0.3 W/(m•K)。

MPC7410的CFD 模型如图6所示，表3是建模的参数，结的功耗加在结外形的下表面。

板上其余PBGA 封装的芯片用导热系数5 W/(m•K)的集中参数块表示。

图7是MPC7410芯片没有散热器时得到的温度分布。

左侧是入口流速为2 m/s 时的工况，右侧是入口流速为3 m/s 时的工况。

两种工况下MPC7410芯片的结温均超出了正常工作温度。

由图7可看出中上部的两片MPC7410的温度比下部两片高约15℃，这是由于通过上部两片的冷却风已被下部的芯片加热所致。

因此在强迫风冷设计中，在板级热设计阶段应提前尽可能地将功耗高的MPC7410器件布置在风的入口处。

由于功耗和噪音的限制，一般系统中单板入口的风速在 1 m/s ～4 m/s 左右，因此单靠增加PCB 的进风风速并不能使芯片的结温控制在正常可接受范围。

图5单板强迫风冷的CFD 模型图6 MPC7410的CFD 模型 表3 MPC7410建模参数图5中序号建模尺寸(mm)导热系数W/(m•K)1结（die ） 9.64×11×0.74 180 2倒装焊球及填充材料9.64×11×0.690.6 3陶瓷基座 25×25×0.9 184焊球及空气 25×25×1.2K x =0.034,K y =0.034,K z =3.8图7 未加散热器时的风冷温度分布图2.1.2加散热器后的强迫风冷为增强散热能力，需要考虑在芯片表面上加散热器。

MPC7410的CBGA 封装形式，硅芯片暴露在表面，元件的壳就是硅芯片的顶面。

增加散热器后相当于扩展了芯片的表面积，增大了c A 。

芯片的结温j T 可表示为：int hs ()j f r j c t T T T R R R Q −=++++× （4）式中，r T 表示单板进出风之间的温差；int R 表示散热器与芯片之间的界面材料的热阻，通常值为 1 K/W ；hs R 表示散热器的热阻。

由表1可知，j c R −的值很小，产生的温差可以忽略。

由式（4）可求得满足j T <105℃的允许散热器热阻hs R 。

2.1.3 MPC7410散热器的设计与安装用于BGA 封装的散热器有平直型、针型等多种形式。

设计散热器时首先是由流动边界条件获得合理的风速，再设计散热器的几何参数。

以直齿型材散热器为例，散热器几何参数有翅片厚度、高度、翅片数量、基板厚度及长度等。

在CFD 模型中详细建立散热器的几何参数，指定材料属性。

图8是在MPC7410 上加了散热器后板的入口风速为2 m/s 的工况。

散热器的参数为直齿、基部厚度2 mm ，尺寸30 mm×30 mm ，齿厚1 mm 、齿高6 mm 。

可以看出芯片结温已明显下降，上部的两片MPC7410的温度比下部两片仍高约15℃。

下面仍以入口风速为2 m/s 为边界条件，分析散热器翅片高度、翅片间距、翅片厚度的改变对MPC7410最高温度的影响，得到图9～图11。

由图可见增加散热器的翅片高度能增加换热面积从而减小最高温度，但在系统设计中翅片高度受板间距的制约。

散热器大小一定时翅片间距的增加导致换热面积减小，同时空气侧的对流换热系数下降，这两个因素的影响导致MPC7410最高温度上升。

散热器大小、齿数一定时翅片厚度太小导致翅片高度方向的热阻较大，翅片面积得不到充分利用。

但在翅片厚度增加到1 mm 以上时翅片厚度对最高温度影响不大，甚至还有上升的趋势。

系统设计中通过综合考虑允许的散热器尺寸大小、散热器的热阻、允许的压降等设计选择散热器，可以设计出满足单板在环境温度50℃条件下工作的散热器。

散热器设计好后可以通过粘接、弹性夹子和螺钉紧固等方式安装在芯片表面。

安装时需清洁散热器及芯片表面并选用合适的热界面材料以降低接触热阻。

芯片与散热器间的安装力不得超过25 N 。

图8在MPC7410上加散热器图9 翅片高度与MPC7410最高温度的关系图10 翅片间距与MPC7410最高温度的关系图11 翅片厚度与MPC7410最高温度的关系 2.2传导冷却下单板的热设计在恶劣环境下工作的电子设备倾向于使用全密闭的机箱来封装PCB 板，因工作条件限制不能提供强迫风冷的冷却风必须考虑用传导来冷却。

单板的传导冷却通常是依靠边界来导热（edge cooling ）。

图12是尺寸200 mm ×200 mm ，导热系数16.5 W/(m•K)，均布功耗5 W 的4层PCB 板简化传导冷却模型。

板上最大温升在PCB 的中央，在PCB 的宽度方向存在较大的温度梯度。

强迫风冷条件下，增加PCB 的尺寸通常也能增加散热面积。

而在传导冷却的方式下增加PCB 尺寸却使导热路径更长。

从图12还可看出，把热功耗集中的器件布置在边缘有利于传导冷却。

图12均布热流密度的PCB 传导冷却2max8qL dT K δ= 式中：dT 表示温升(℃)；q 表示热流密度（W/m 2）；L 表示PCB 的宽度（m ）；K 表示PCB 的导热系数，W/(m•K)；δ表示PCB 的厚度（m ）。

多层PCB 板的材料属性是各向异性，在平行于板方向的导热系数K x 、K y 的数值在15 W/(m•K)～30 W/(m•K)[4]之间，在垂直于板方向的导热系数约为0.3 W/(m•K)。

由于PCB 板的导热系数较小，直接用PCB 的边与冷端接触导热将导致很大的温升。