開放式標準氣流通孔 （AFT） 冷卻技術是國防和航空航天應用堅固耐用的 COTS 系統設計人員可用選項的一個受歡迎的補充。諾斯羅普·格魯曼公司的 AFT 技術采用 ANSI/VITA 48.5-2010 標準，為冷卻 C4ISR 應用中使用的高性能 VPX 板提供了一種經濟高效的方法。

要成功滿足高功率、高密度 COTS 系統的熱管理要求，需要采用全方位的冷卻方法，從空氣和傳導冷卻到通過冷卻技術的噴霧和液體流動，以及實施這些方法所需的經驗和專業知識。

如今，許多 VPX 系統的功率密度排除了使用標準傳導冷卻卡的可能性。當卡達到高達 170 W 的密度時，它們超出了傳導冷卻卡可以處理的單插槽能力，特別是當這些高功率卡中的幾個用于系統中的相鄰插槽時（取決于組件和環境限制）。諾斯羅普·格魯曼公司的VPX卡的氣流通行（AFT）冷卻技術在ANSI/VITA 48.5-2010標準中定義，為國防和航空航天集成商提供了一種額外的武器，用于對抗高功率密度卡和系統中的過熱。AFT成為當今高性能模塊的“最佳點”，可在+55°C空氣范圍內可靠地冷卻120至200 W卡。考慮傳導冷卻、空氣冷卻、噴霧冷卻和 LFT 等替代方法有助于突出 AFT 的優勢。

目標：冷卻到組件附近

傳導冷卻

標準傳導冷卻卡難以處理 170 W 卡上的溫升。增加挑戰的是額外的熱阻，即將熱量傳遞到外殼，然后拒絕周圍的空氣以及相鄰卡的功率耗散。無論使用哪種介質來阻擋熱量，該解決方案對于典型的+55°C環境都是不切實際的。這意味著熟悉的冷卻方法——例如外部強制對流（將空氣吹過機箱表面的外部以從系統吸收熱量）和底板冷卻（熱量傳導到安裝表面并排斥到安裝板中）是不夠的。

典型的傳導冷卻卡具有太大的熱阻，無法冷卻當今性能最高的模塊。在某些情況下，熱管或銅嵌件已被用于處理對于典型的鋁傳導散熱器來說太高的功率密度，以將熱量傳遞到卡邊緣。熱管的熱傳遞能力可以為解決上述問題提供顯著的好處。不幸的是，當考慮到系統的總功率、溫度范圍和熱管的姿態依賴性時，該解決方案可能成為一個重要的成本驅動因素，并且仍然不能有效地處理外殼中的大功率密度。

空氣冷卻

更好的解決方案需要從發熱組件到冷卻介質的更短的熱路徑。這意味著冷卻介質必須盡可能靠近組件。最簡單，最可靠，最經濟的方法是簡單地將空氣吹過卡。這將冷卻介質（空氣）直接帶到組件上，從而消除了大量的傳導電阻。但是，環境空氣可能會被灰塵，濕度，鹽霧等污染，例如，這會引起電子設備電氣短路等問題。因此，需要一個密封的外殼來防止環境空氣與卡接觸。這消除了環境風冷卡和機箱在許多惡劣環境中的可行性。

從理論上講，如果風冷卡位于密封的機箱中，該機箱具有內部風扇以將熱量從卡中拉出，內部高密度翅片將熱量從內部空氣中拉出并將其推入機箱外部，并且具有外部高密度翅片以將熱量推入外部環境空氣中，則可以使用風冷卡。不幸的是，這種方法會使風扇數量增加一倍，風扇功率增加一倍，不幸的是，仍然可能無法提供足夠低的熱阻。（空對空熱交換器效率非常低。

噴霧冷卻和液體流過 （LFT）

將冷卻介質靠近組件的其他選項包括噴霧冷卻或液體流過（LFT）熱框架。噴霧冷卻可以通過將冷卻介質直接噴在卡上來消除卡中的熱量，但它涉及對卡的不平凡的修改，卡上冷卻劑的腐蝕/侵蝕問題，以及與噴嘴，泵，蓄能器，閥門，冷卻劑，液對空熱交換器等相關的復雜性。該解決方案需要更高頻率的維護，但存在一些真正的可靠性問題，并且使得在SWaP受限的環境中滿足重量要求變得更加困難。

使用LFT熱框架，液體通過安裝在電路卡上的金屬框架。液體去除了高功率組件中的熱量并減輕了侵蝕問題 - 流體從不接觸組件 - 但它的制造成本很高，并且在閥門，泵，氣囊等中具有相當大的復雜性。與噴霧冷卻一樣，由于所需的底盤，冷卻液，軟管，閥門和液對空熱交換器，因此存在重量問題。LFT具有一些非常有吸引力的品質，因為冷卻介質正好在組件上但不接觸，但是重量和復雜性的影響限制了它的使用。

船尾冷卻

這就引出了下一種方法，即利用空氣取代LFT的冷卻液。這提供了相同的好處，即冷卻介質非常靠近組件而不直接接觸。這也使使用液體的設計的重量和復雜性顯著降低。而且空氣很便宜。諾斯羅普·格魯曼公司的AFT冷卻技術是一種經過驗證的AFT方法，它將強制空氣冷卻的簡單性和LFT提供的冷卻介質的熱阻的極大降低相結合，這是ANSI/VITA 48.5-2010中定義的開放標準。使用AFT，空氣通過加熱框架，防止環境空氣接觸電子設備，但顯著降低到冷卻空氣的熱路徑。

鑒于AFT在設計簡單、重量效率和低熱阻方面的優勢，Curtiss-Wright正在利用這種方法作為其最高功率密度系統的首選解決方案。這些 AFT 模塊可在 -40 °C 至 +55 °C 的入口環境溫度下實現可靠運行。 這些模塊封閉在帶有入口和出口空氣開口的熱框架中。AFT散熱器在較大的表面積上為系統模塊提供最大的冷卻。在卡的入口側和排氣側，安裝在機箱內部的墊圈將卡的內部空氣通道密封到機箱側壁。這些密封件可防止空氣吹入機箱，并保護內部電子設備免受惡劣外部環境的影響。表1給出了上述冷卻方法的比較。

表 1：討論的冷卻方法的并排比較。

熱分析

作為AFT冷卻優勢的一個例子，我們對各種情況進行了詳細的熱分析（結果可根據要求提供）。典型的VPX SBC熱分析結果表明，當輸入空氣為+55°C時，系統可以充分冷卻，并留有余量。AFT的好處之一是冷卻空氣非常接近大功率組件;這不僅適用于基卡上的組件，也適用于 XMC 卡上的組件。通過 XMC 上的高功率組件提供冷卻環境空氣的短路路徑，即使是 XMC 卡也能實現最高性能。每個高功率組件都通過導電的柔性間隙焊盤連接到AFT熱框架。

隔離熱路徑

AFT的另一個非常有價值的優點是隔離系統中每個卡的熱路徑。使用AFT，卡不會共享冷卻空氣或它們將熱量傳導到的熱接口。每個 AFT 卡都有自己的 +55 °C 空氣入口和自己的排氣口。除冷卻空氣外，沒有其他冷卻路徑。從熱的角度來看，這使得每個卡都可以單獨查看。通過確保系統中所有卡的氣流平衡，每個卡都能接收到將組件保持在適當溫度所需的冷卻空氣量。為了突出該方法的功能，假設高功率基卡和子卡的組合，進行了熱分析。結果如下所示：

熱結果：帶有兩個 XMC 熱結果的 SBC

此通用卡假定具有以下熱負荷： SBC： 90 W XMC： 40 W

總功率 = 170 W（單個插槽）

熱分析摘要

熱分析與先前開發的系統的性能和發現一致，這些系統使用AFT作為其冷卻解決方案。如果假設病例溫度可能為+100°C或更高，則整體分析顯示大量裕量。由于Curtiss-Wright非常頻繁地執行這些分析，因此可以理解的是，實際應用的功率密度問題可能比這里描述的更嚴重，因為在許多情況下，高功率元件是“倒裝芯片”設計，芯片安裝在BGA基板的頂部。當芯片產生所有熱量時，高功率耗散的面積小于本分析中分配的面積。

可以采用多種技術來應對這些高性能組件的高功率密度挑戰 - 包括更高性能/更薄的間隙墊，使用銅散熱器以及使用可調高度的銅散熱器以最小化間隙墊厚度。鑒于這種理解和上述分析的結果，AFT是冷卻“最佳點”120至200 W高功率和高性能SBC和DSP模塊的絕佳解決方案。

審核編輯：郭婷