一種高效功放散熱器的設計

謝明君

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0 引言

微波固態放大器是軍事通信、電子對抗系統中的關鍵部件，直接決定了通信、干擾系統的指標高低。隨著半導體及集成電路技術的發展，通信對抗系統不斷向小型、輕便和節能方向發展[1]，帶來越來越高的熱流密度。功率管對溫度敏感，超過臨界溫度不僅會使功放指標惡化，還會大大降低設備的使用壽命。固態功放的高效散熱器設計是功放熱設計中的一項關鍵技術。

高效散熱器的研究主要集中在散熱器結構優化設計、散熱器鋁銅結合設計[2]以及熱管、VC均溫板等兩相流高效傳熱技術等方面。文獻[3]論述了型材散熱器三維穩態流場和溫度場數值計算方法并進行了試驗研究，文獻[4]分析了肋片式散熱器在自然散熱和強迫風冷條件下的性能特性，文獻[5-7]論述了熱管傳熱特性以及數值模擬方法，文獻[8-10]論述了VC均溫板的傳熱特性以及數值模擬方法。熱管及VC均溫板多用于提高散熱器一維以及二維方向上的導熱能力。本文提出的內嵌VC均溫板且熱管折彎貫穿肋片的高效散熱器，將高效導熱能力擴展到三維尺度，采取的加工工藝可根據產品散熱功率的大小靈活增減散熱器肋片的層數，具有良好的擴展性及廣泛的應用場景。

1 問題描述

某型大功率固態功放在使用過程中經常出現掉功率和死機的故障。經測試，在55 ℃環境溫度時，功率管殼溫最高為98.5 ℃，接近臨界點(100 ℃)，因此導致該故障。要求在不改變結構布局的情況下，對功放散熱設計進行優化改進，降低工作時的溫度，提高可靠性。

固態功放分機采用強迫風冷散熱，結構布局如圖1所示，釬焊成型的鋁合金3層肋片散熱器位于機箱中部，散熱器尺寸為435 mm(寬)×111 mm(高)×544 mm(深)，前面板對應肋片位置開通風孔，后面板相應位置安裝2個Ebm-papast 6424h風機，散熱器中間的3層肋片作為風道。8個末級模塊分別安裝在散熱器的正反面底板上，單個模塊內部包含4個功率管，單個功率管熱功耗為70 W，整機熱功耗2 240 W。末級模塊盒體材料為鋁合金5A06，功率管底座涂抹導熱硅脂通過螺釘安裝在盒體底板，盒體底板厚度為10 mm，盒體底板涂抹導熱硅脂通過螺釘安裝在散熱器正反面底板上，芯片結溫要求不超過200 ℃，節殼熱阻為1.4 ℃/W，要求控制功率管殼溫不高于100 ℃。

圖1 固態功放分機結構布局

2 問題分析

功放分機內部熱源的熱傳遞分析如圖2所示，熱源為32個功率管，單個功率管安裝底座尺寸為22 mm×10 mm，熱流密度達到了31.8 W/cm2。散熱方式為強迫風冷散熱。主要傳熱路徑為功率管—底板—散熱器—機箱外部大氣熱沉，還有小部分熱量通過功率管、盒體以及機箱外殼對大氣熱沉的對流和輻射方式進行傳遞。

圖2 熱傳遞分析

在主要傳熱路徑上，功率管和盒體底板以及盒體底板到散熱器之間熱量傳遞主要以熱傳導的方式進行，遵循傅里葉定律，即

(1)

從式(1)可以看出，傳遞熱量一定時，降低溫度梯度需要提高材料的熱傳導系數和傳熱面積。此外還需要降低由于2個接觸面存在空氣間隙而產生的接觸熱阻[11]。擬采取的措施如下：

① 將盒體底板的材料由鋁合金5A06更換為紫銅；

② 將功率管與盒體底板之間的安裝方式由螺接改為焊接，焊接面的換熱系數可達100 kW/m2k；

③ 增大盒體底板光潔度，盒體底板與散熱器底板之間的界面材料使用銦片[12]替代導熱硅脂，并增大盒體底板與散熱器之間的安裝壓力。

大部分熱量最終是通過散熱器傳遞給機箱外部大氣熱沉的，熱量由散熱器底板傳遞至散熱器肋片，由散熱器肋片通過與空氣的熱對流傳遞至大氣熱沉，熱對流遵循牛頓冷卻定律，即

Q=A·h·Δt，

(2)

式中，A為對流換熱面積；h為對流換熱熱系數；Δt為散熱器與空氣之間的溫差。

從式(2)可以看出，傳遞熱量一定時，提高h和A可降低Δt，進而最終降低功率管的溫度。設定環境溫度為55 ℃，采用ANSYS-Icepak軟件對功放分機現有散熱方案進行熱仿真，熱仿真溫度云圖如圖3所示，功率管殼溫最高為97.6 ℃，現有的鋁合金3層散熱器溫度分布十分不均勻，散熱器底板表面最大溫差達到30 ℃，散熱器中間層肋片溫度為55～62 ℃，與空氣最大溫差僅為7 ℃。仿真顯示功率管的殼溫達到了97 ℃，已經十分接近臨界溫度100 ℃。

圖3 原方案熱仿真溫度云圖

散熱器的對流換熱面積達到了8.41 m2，且2個風機的理論最大風量達到了960 m3/h，提高風速和肋片換熱面積對于功率管溫度下降意義已經不大，瓶頸在于散熱器本身的熱阻過大，產生了較大的溫度梯度，減小散熱器底板到達散熱器肋片之間的熱阻是解決問題的關鍵。

更換導熱率更高的材料是降低散熱器熱阻的常見做法，紫銅密度是鋁合金的3倍，如果更換為紫銅，將使散熱器重量增加61 kg，這個重量是無法接受的。目前散熱器的問題在于X，Y平面溫度均勻性較差以及中間層肋片和上下兩層肋片之間存在較大溫差。不改變結構布局的情況下引入熱管和VC均溫板是降低散熱器熱阻的有效措施。

熱管作為一種高效傳熱元件，具有極高的導熱性、高散熱效率等特點[13]，通過熱管的超導熱特性使局部熱源產生的熱量快速擴展到離熱源更遠的散熱區域[14]。散熱器里內嵌熱管的工藝，現在已較為成熟，可加工成各種形狀和尺寸。

相變均溫板為平板狀結構，內部加工為蒸汽腔(Vapor Chamber，VC)充填工質，通過工質的蒸發和冷凝將熱量擴散到整個均溫板的表面，從而降低熱流密度[15]。從外形結構上看均溫板與熱管非常相似，不同的是熱管的一端為蒸發段，另一端為冷卻段，只能進行單向熱傳輸，而均溫板則一面為蒸發面，相對面(或包含其余各側面)為冷卻面，可以實現全向熱傳輸，因此具有優越的均溫性和熱運輸能力[16]。

綜上所述，設計高效散熱器上下底板內嵌VC均溫板，提高X，Y方向的溫度均勻性，將熱管一端埋入散熱器上層或下層肋片，另一端埋入散熱器中間層的肋片，提高散熱器Y方向的溫度均勻性。

將改進方案進行建模仿真，仿真結果如圖4所示，可以看出通過VC的高導熱率，散熱器底板的溫度最大溫差為8 ℃，散熱器中間層肋片為60～64 ℃，大大提高了散熱器的溫度一致性，功率管最高殼溫表面為84.6 ℃，比現有產品降低了13.9 ℃。

圖4 改進方案熱仿真溫度云圖

3 高效散熱器工藝流程

3.1 高效散熱器工藝難點

高效散熱器由上下底板、中間肋片、中間隔板內嵌VC均溫板以及折彎熱管通過多次焊接加工而成，工藝難點如下：

① 該散熱器中均溫板尺寸較大(435 mm×544 mm)，常規尺寸均溫板的燒結工藝不再適用，需進行工藝升級，重新定制模具并摸索燒結參數，以實現大尺寸薄壁毛細芯的生產；

② 大尺寸均溫板燒結及焊接過程中的變形幅度較大，校形難度大；

③ 該方案需進行3次不同類型的焊接，對焊接工藝參數的控制要求較高；

④ 折彎后的肋片較軟，在肋片上打孔難度較大。

3.2 高效散熱器工藝流程

經過多次試驗和工藝摸索，成了內嵌均溫板并熱管貫穿肋片的散熱器，具體過程不在此展開論述，工藝流程如下：

① 鋁合金下料，加工均溫板毛坯、蓋板和隔板；

② 肋片折彎成型；

③ 銑加工均溫板腔體、注液口及支撐柱；

④ 鋁粉燒結毛細結構；

⑤ 均溫板腔體與蓋板焊接(真空擴散焊)；

⑥ 焊后校形，熱處理；

⑦ 均溫板、隔板與3層肋片焊接(真空釬焊)；

⑧ 焊后校形，熱處理；

⑨ 加工熱管槽；

⑩ U形熱管折彎；

4 測試驗證

加工完成的高效散熱器樣件如圖5所示，采用四川永星電子有限公司(893廠)的RFG224雙引線微波功率負載電阻器對熱源進行模擬。調節輸入電源使熱功率滿足要求，采用TP9000熱電偶測溫儀對溫度進行測試，測試點為功率管安裝底座和負載電阻安裝底座，選取靠近風扇的2個末級模塊上的8個功率管作為測試點，如圖6所示。

圖5 高效散熱器樣件

圖6 熱模擬實驗測試

半導體器件每下降10 ℃，可靠性提高1倍[17]。測試數據及對比結果如表1所示，8個測試點溫度均有下降，下降最低的為11.1 ℃，下降最高的為15.5 ℃。測試結果說明高效散熱器對降低功放模塊溫度，提高產品可靠性具有顯著的效果。

表1 測試數據對比 ℃

5 結束語

某型功放分機具有功率管數量多、整機熱功耗大和功率管熱流密度大的特點，本文對現有散熱方案的熱傳遞路徑和影響因素進行了分析，改進了末級模塊盒體底板以及功率管的安裝方式，設計了內嵌均溫板并熱管貫穿肋片的高效散熱器，對高效散熱器的工藝難點和工藝流程進行了論述，對改進后的散熱方案進行了仿真模擬，制作了高效散熱器進行熱模擬試驗。測試數據表明，在環境溫度為55 ℃條件下，相比現有方案，功率管殼溫最高降低了15.5 ℃，優化后的散熱方案合理可行，滿足了功放長期可靠運行的要求，在同類相似產品中具有廣泛的應用前景。