某相控陣?yán)走_(dá)T/R組件熱設(shè)計(jì)研究

任 恒 劉萬鈞 洪大良 黃 靖 張先鋒

(中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所 合肥 230088)

0 引言

隨著電子信息技術(shù)的高速發(fā)展，電子元件的尺寸越來越小，芯片的集成密度不斷提高，導(dǎo)致雷達(dá)天線陣面的熱耗及局部熱流密度都迅速增大。未來全數(shù)字陣列雷達(dá)天線陣面的熱耗將達(dá)到兆瓦量級，而作為相控陣?yán)走_(dá)核心器件的T/R 組件熱耗將達(dá)到千瓦量級，功率芯片局部熱流密度將可能超過150W/cm2。電子器件都有其工作溫度的上限，任何設(shè)計(jì)精良的電子設(shè)備在長期過熱及不均勻熱應(yīng)力的情況下都會發(fā)生故障或失效。美空軍整體計(jì)劃分析報(bào)告里指出:電子設(shè)備的失效有55%是由溫度引起的，“10℃法則”也明確指出:半導(dǎo)體器件的溫度每升高10℃，其可靠性就會降低50%［1-3］。由于有源相控陣?yán)走_(dá)T/R 組件的幅相特性和接收增益均受到溫度的影響，因此對T/R 組件進(jìn)行良好的熱設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)將組件內(nèi)部發(fā)熱器件產(chǎn)生的熱量快速散發(fā)出去，從而將功率器件的工作溫度控制在允許溫度范圍內(nèi)，對提高相控陣?yán)走_(dá)的可靠性具有重要意義。

對電子設(shè)備進(jìn)行熱控制主要基于熱量傳遞的三種方式［4］:熱傳導(dǎo)、熱對流、熱輻射。熱傳導(dǎo)主要依靠分子、原子及自由電子等微觀粒子熱運(yùn)動而進(jìn)行熱量傳遞;熱對流主要依靠流體的運(yùn)動，把熱量由一處傳遞到另一處;熱輻射依靠物體的表面發(fā)射可見和不可見的射線進(jìn)行能量傳遞。根據(jù)熱量傳遞方式已經(jīng)發(fā)展出了一系列積極主動的熱控制手段，以實(shí)現(xiàn)對發(fā)熱器件的溫度控制，主要包括:強(qiáng)迫風(fēng)冷、強(qiáng)迫液冷、相變冷卻、噴霧冷卻等。相較于其他散熱方式，強(qiáng)迫液冷具有散熱能力強(qiáng)、技術(shù)成熟、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，為大功率高熱流密度電子設(shè)備首選的散熱方式。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，采用數(shù)值模擬的方式對電子設(shè)備進(jìn)行熱仿真已經(jīng)逐步成為熱分析的主要手段。根據(jù)文獻(xiàn)［5］對主流熱分析軟件的分析比較，本文采用Icepak 熱仿真軟件對大功率高熱流密度有源相控陣?yán)走_(dá)T/R 組件進(jìn)行了熱設(shè)計(jì)與熱仿真分析，得到功率器件的溫度分布情況，以驗(yàn)證其是否滿足使用要求，同時(shí)給出了熱設(shè)計(jì)方案的改進(jìn)措施，對T/R 組件熱設(shè)計(jì)、熱仿真問題的工程應(yīng)用提供了借鑒。

1 問題描述

T/R 組件主要由4 個(gè)功率管、4 個(gè)輸入端環(huán)行器及負(fù)載電阻、1 個(gè)輸出端環(huán)行器及負(fù)載電阻和1塊冷板組成，其最大外形尺寸(L × W × H)為500mm × 472mm × 45mm，如圖1所示。在全反射工作模式下，環(huán)行器熱耗較小，可以忽略不計(jì)，主要發(fā)熱器件為功率管和負(fù)載電阻，此時(shí)T/R 組件總熱耗為3323W，熱耗組成如表1所示?？梢钥吹絾蝹€(gè)功率管熱耗為330W，輸入端環(huán)行器負(fù)載熱耗為500W，輸出端環(huán)行器負(fù)載為3W。表2 給出了全反射模式下組件內(nèi)各功率器件的熱流密度，此時(shí)功率管的熱流密度為103.1W/cm2，熱流密度較大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了強(qiáng)迫風(fēng)冷的散熱能力。考慮到組件主要通過冷板散熱，強(qiáng)迫液冷的散熱能力目前可以達(dá)到150W/cm2，因此，組件的熱設(shè)計(jì)采用強(qiáng)迫液冷的冷卻形式。

表1 T/R 組件熱耗構(gòu)成

表2 組件內(nèi)各功率器件的熱流密度

圖1 T/R 組件結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 冷板與發(fā)熱器件分布

2 熱設(shè)計(jì)方案的確定

冷卻介質(zhì)采用去離子水，供液溫度按照較為惡劣的環(huán)境進(jìn)行計(jì)算，取為30℃。在一定的耗散功率下，冷卻液的流量越大，對流換熱系數(shù)越大，發(fā)熱器件的表面溫度將越低，但冷卻系統(tǒng)的流阻隨流速的增加而劇增，因此冷卻液流量應(yīng)結(jié)合組件散熱與壓力之間的關(guān)系綜合考慮來確定。根據(jù)流量與壓力匹配關(guān)系，冷卻液溫升5℃時(shí)，估算得出冷卻整個(gè)組件需要的冷卻液約為6L/min。根據(jù)芯片的結(jié)溫和熱阻，要求全反射模式下末級組件正常工作時(shí)功率管管殼最高溫度不能超過90℃，4 個(gè)功率管最大溫差不超過5℃，環(huán)行器負(fù)載最高溫度不能超過105℃。

針對T/R 組件大功率、高熱流密度、高溫度一致性要求以及低壓損等設(shè)計(jì)難點(diǎn)，熱設(shè)計(jì)采用以下技術(shù):

(1)采用低熱阻設(shè)計(jì)技術(shù)，在冷板流道內(nèi)嵌微小型翅片，增大冷卻液與冷板結(jié)構(gòu)在熱耗集中區(qū)的換熱面積，提升冷板結(jié)構(gòu)的冷卻能力，并降低組件供液流量需求;

(2)冷板流道采用流域分區(qū)，并在每個(gè)流域子區(qū)內(nèi)采用流量與壓力匹配設(shè)計(jì)技術(shù)。功率管和負(fù)載電阻對應(yīng)的流域采用并聯(lián)設(shè)計(jì)，以保證子區(qū)內(nèi)各功率器件供液流量的一致性。

3 熱仿真分析

3．1 計(jì)算模型

熱仿真計(jì)算采用ANSYS Icepak 軟件進(jìn)行，根據(jù)軟件建模的特點(diǎn)和要求，在保證仿真結(jié)果不失真的前提下，對仿真模型進(jìn)行了部分簡化，主要如下:

(1)忽略了T/R 組件與周圍空氣的對流散熱;

(2)忽略了輻射散熱因素;

(3)忽略了所有螺釘孔以及與冷板傳熱關(guān)系不大的局部部件。

各功率器件在冷板上的分布如圖2所示，其中冷板厚度為10mm，材料為6061-T6 鋁合金，此型號鋁合金密度為2700kg/m3，導(dǎo)熱率為167W/m·K，比熱容為896J/kg·K。功率管厚度為2mm，輸入和輸出端環(huán)行器負(fù)載厚度都為8mm。功率管先焊到同等大小的鉬銅載體(厚度0.2mm)上，再焊接在1mm 的硅鋁殼體上，之后殼體通過螺釘實(shí)現(xiàn)與冷板連接。殼體與冷板之間通過涂導(dǎo)熱硅脂降低接觸熱阻。在計(jì)算中，導(dǎo)熱硅脂的厚度取為0.2mm，導(dǎo)熱系數(shù)為0.7W/m·K。冷板內(nèi)流道布局如圖3所示，為了降低功率器件的溫度不一致性，流道采用了等流程并聯(lián)設(shè)計(jì)技術(shù)。其中，流道高度為5mm，進(jìn)出水口流道寬度取為10mm，連接功率管和環(huán)行器負(fù)載微通道區(qū)域的水道寬度為4mm。為了增大換熱面積，有效降低功率器件的溫度，微通道區(qū)域中翅片厚度取為1.2mm，翅片間距取為2.5mm，如圖3所示。

3．2 數(shù)值模擬與結(jié)果分析

采用圖2 的模型進(jìn)行計(jì)算，冷卻液入口溫度為30℃，各個(gè)器件熱耗按表1 取值。Icepak 軟件提供了方便的自動化網(wǎng)格生成器，其中包括非結(jié)構(gòu)化的連續(xù)網(wǎng)格和不連續(xù)網(wǎng)格，結(jié)構(gòu)化的連續(xù)網(wǎng)格和不連續(xù)網(wǎng)格，以及四面體網(wǎng)格。本文模型采用非結(jié)構(gòu)連續(xù)網(wǎng)格生成器進(jìn)行網(wǎng)格劃分，單元數(shù)和節(jié)點(diǎn)數(shù)分別是為1959606 和2041116，功率器件附近的網(wǎng)格分布如圖4所示。

計(jì)算結(jié)果:冷卻液進(jìn)口速度取為1.67m/s，冷板內(nèi)冷卻液的流量為6L/min，各發(fā)熱器件的溫度分布如圖5所示。此時(shí)，四只功率管管殼最高溫度為101.4℃，最低溫度為100.6℃，不滿足功率管管殼最高溫度不超過90℃的指標(biāo)要求，需要進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)。輸入端環(huán)行器負(fù)載最高溫度78.1℃，輸出端環(huán)行器溫度為19.8℃，滿足指標(biāo)要求。圖6 給出了冷板內(nèi)流道的壓力損失分布，可以看到冷板內(nèi)流體的壓力損失大約為0.36bar，滿足低壓損設(shè)計(jì)要求。

圖4 功率器件附近網(wǎng)格分布

圖5 發(fā)熱器件溫度分布云圖

圖6 冷板流道內(nèi)壓力分布圖

3．3 熱設(shè)計(jì)方案優(yōu)化

上述熱設(shè)計(jì)方案中，功率管管殼最高溫度超過允許溫度11℃，不能滿足功率管的散熱要求，需要進(jìn)一步優(yōu)化。為了提高散熱能力，有效降低功率管溫度，采用在硅鋁殼體下襯純銅塊的方法。純銅的導(dǎo)熱率為387.6W/m·K，其傳熱能力遠(yuǎn)大于鋁材，通過襯銅可以擴(kuò)大散熱面積，使功率管產(chǎn)生的熱量快速擴(kuò)展開來。功率管與鉬銅和硅鋁殼體焊接后，硅鋁殼體再焊接在大小為126mm ×76mm、厚度為2.5mm 的純銅上，之后純銅與冷板通過螺釘連接，銅塊與冷板之間通過涂導(dǎo)熱硅脂降低接觸熱阻，襯銅與冷板之間接觸熱阻取為1℃·cm2/W，計(jì)算模型如圖7所示。

冷板內(nèi)冷卻液的流量仍取6L/min，各發(fā)熱器件的溫度分布如圖8所示。此時(shí)，四只功率管管殼最高溫度為87.7℃，最低溫度為84.8℃，溫度不一致性小于3℃。輸入端環(huán)行器負(fù)載最高溫度78.9℃，輸出端環(huán)行器溫度為20.2℃，都滿足指標(biāo)要求。

為了進(jìn)一步降低功率管溫度，將襯銅厚度增加到4mm，此時(shí)功率管管殼最高溫度為81.8℃，最低溫度為78.4℃，輸入端環(huán)行器負(fù)載最高溫度79.0℃，輸出端環(huán)行器溫度為20.1℃，功率器件溫度分布如圖9所示?？梢?，當(dāng)襯銅厚度增加時(shí)，可以有效降低從功率管到冷板熱量傳輸路徑的熱阻，將功率管管殼的最高溫度降低了5.9℃。

圖7 冷板與發(fā)熱器件分布

圖8 襯銅厚度為2.5mm 時(shí)發(fā)熱器件溫度分布云圖

圖9 襯銅厚度為4mm 時(shí)發(fā)熱器件溫度分布云圖

4 結(jié)論

有源相控陣?yán)走_(dá)T/ R 組件具有大功率、高熱流密度、高溫度一致性要求等特點(diǎn)，采用結(jié)構(gòu)與熱控協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)，將冷板與組件進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，并采用強(qiáng)迫液冷的冷卻方式，可以有效控制功率器件的溫度。進(jìn)一步采用銅熱擴(kuò)展板，大大降低了傳熱路徑的熱阻，提高了冷卻效率，將主要功率器件的溫度控制在指標(biāo)允許的范圍之內(nèi)。隨著結(jié)構(gòu)與熱控協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，以及液冷冷板制造工藝的不斷提升，強(qiáng)迫液冷散熱方式將在有源相控陣?yán)走_(dá)中得到更廣泛的應(yīng)用。

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