基于小人法的MCM散熱設計與仿真分析

徐曉婷，王 萌，李文強

（1.成都飛機工業（集團）有限責任公司，成都 610000；2.中國電子科技集團第29研究所，成都 610000；3. 四川大學 制造科學與工程學院，成都 610065）

0 引言

隨著新技術和新器件的不斷應用，航空機載雷達已逐漸成為一種復雜的電子集成系統，其電子設備組件的結構不斷向小型化發展，同時各種電氣元器件間的集成度也越來越高，成為典型的多芯片組件集成系統。該系統工作過程中會釋放大量熱，從而導致整個雷達系統的散熱量越來越大，熱流密度會倍增長。另一方面，由于航空機載相控陣雷達作為一種敏感設備，其中高密度集成的許多電子元器件對高溫環境較為敏感，其在一般雷達所能允許的高溫區環境條件下往往達不到應有的電性能指標。因此，針對具有高密度集成組件的航空機載雷達的熱設計與常規雷達的散熱設計有較大區別，也較常規雷達的散熱設計更具復雜性和挑戰性。如何有效解決航空機載雷達系統中高密度集成組件熱設計問題，已是直接影響著整個航空機載雷達系統工作的穩定性和可靠性的關鍵問題，也是目前機載雷達系統研究的熱點。

目前國內外研究機構和學者已從散熱結構和散熱方式兩個方面，針對航空機載雷達系統的散熱問題開展了積極研究。此外，隨著計算機技術的快速發展及有限元法、有限差分法等數值分析方法的完善，基于數值分析方法的熱分析軟件也在不同領域得到大量使用。研究人員還針對熱分析軟件計算速度較慢、精度有偏差等問題，提出了許多有參考價值的熱分析方法。如美國Rome空軍發展中心為了提高電路板元件結點溫度的計算效率，將熱分析知識與專家系統相結合，使基本熱分析知識缺乏的工程師也能夠快速進行熱分析計算[1]。梅啟元針對目前廣泛應用于各行各業的熱管散熱技術，討論并分析了熱管散熱技術在雷達散熱設計中應用的可行性[2]。秦灝卿對熱管在機載雷達中的應用進行了初步研究，主要從環境適應性、結構形式等方面對雷達中的熱管散熱問題進行了分析、計算和實驗[3]。宋永善針對MCM內部裸芯片的布局設計問題，提出了一種同時考慮MCM整體散熱性能和局部（粘接劑）熱應力兩個方面的綜合優化方法[4]。弋輝針對相控陣雷達子陣系統不同的結構方案，應用熱設計仿真軟件建立了系列熱仿真模型[5]。鐘劍鋒針對有源相控陣雷達的T/R組件的結構設計過程中的一些散熱問題進行分析，并對其結構設計趨勢進行了分析[6]。方益奇針對外肋片冷卻型雷達電子機箱進行了冷板肋片的換熱計算，并對機箱和通過傳導換熱的印制板插件進行了熱仿真分析[7]。答邦寧建議在設計電子產品時，可利用導熱硅脂來幫助實現發熱器件和散熱板間有效的熱傳導，從而有效解決大規模集成電路的散熱問題[8]。熱分析技術不斷成熟的同時，國外學者對熱設計技術也進行了一系列研究，如自然冷卻，強迫空氣冷卻，液體冷卻等冷卻方法也開始應用到實踐中并逐漸成熟[9]。目前針對MCM的高密度集成組件的熱設計問題，多是通過合理的選取組件冷卻方式和散熱結構設計來保證整個散熱系統高效穩定的工作。

本文基于國內外在熱分析技術和熱設計技術的研究趨勢，在系統性的分析了相控陣雷達系統中多芯片組MCM高密度集成組件的熱源結構的基礎上，提出了基于熱源分布來對多芯片組件的各接收組件進行綜合考慮的思路，通過對航空機載相控陣雷達系統子陣風道進行了熱分析，并在分析基礎上對子陣風道進行了相應改進，通過對系統進行仿真計算和校核，驗證了本文設計方案的合理性。該方法可為目前我國MCM高密度集成組件子陣的熱分析和熱設計提供有益借鑒。

1 基于小人法的散熱設計

1.1 基本熱源分析的散熱問題確定

航空機載相控陣雷達系統子陣是一個復雜的機電系統，它包括天線陣、接收組件陣、轉接組件和電源陣等部分組成。其中，接收組件是集高、低頻，大、小信號，以及數/模、模/數轉換為一體的、復雜的電子產品集成體。接收組件作為雷達系統中主要的高密度集成組件系統，其是整個雷達系統中熱源產生的主要區域。另一方面，為避免對雷達系統的電磁干擾，接收部件被設計為一個密封結構，所以如何快速將其中產生的熱量及時帶走，是影響整個系統散熱系統的關鍵。所以，本文研究的重點工作是對接收組件進行散熱結構設計。目前針對高密度集成組件的冷卻方式主要采用強迫風冷卻和液冷卻兩種形式。本文在綜合考慮到成本和使用環境等各方面原因的基礎上，對接收子陣外部選擇為強迫風冷卻方式，對接收子陣內部采用密封腔體內部強迫風冷卻方式。本文將采用TRIZ理論[10]中的聰明小人法對接收組件進行問題分析并產生創新設計方案。

1.2 基于小人法的接收組件結構創新設計

聰明小人法是一種有效克服工程師在解決問題時的思維慣性的創造性思維技法。而小人法解決問題的思路是將需要解決的問題轉化為小人問題模型，利用小人問題模型產生解決方案模型，最終產生待解決問題的方案，有效規避了思維慣性的產生以及克服了對此類問題原有的思維慣性[11]，該方法已在多個工程問題解決過程中發揮了有效作用[12]。利用聰明小人法的問題分析過程，本文建立問題模型中兩類沖突小人分別為密封接收組件內部空間需要及時導出的熱空氣小人，以及密封接收組件封閉體小人。封閉體小人要阻止里面的熱空氣小人快速從內部移動到外部，這是問題中的根本矛盾和原因。通過將問題系統中的熱空氣小人用紅色表示，密封體小人用黑色表示，黑色小人阻擋紅色小人從內部空間移動到外部空間，建立如圖1所示此時小人問題模型，它也是當前出現問題時或發生矛盾時的模型。根據聰明小人法的解決問題思路，突破設計人員的思維定式，將小人擬人化，根據問題的特點及小人執行的功能，將兩組小人想象成無所不能的小人，建立一種理想狀態既是：黑色密體小人可為紅色熱空氣小人搭建一個移動通道，可以幫助紅色熱空氣小人快速移動，并促使封閉體內部的熱空氣小人向這個通道聚集。

圖1 基于小人法的問題分析過程

如何從這種理想解決方案模型過渡到實際方案，我們尋找到比密封體熱傳導率更高的銀質合金材料作為熱傳導通道，并將其設計為一系列的導熱柱布置在密封體結構上，導熱柱貫穿密封體，如圖2所示，這樣可以更利于密封體內部的熱空氣向高傳導率的導熱柱聚集，并快速通過導熱柱將熱量傳遞到密封體外部，讓熱源的熱量傳導至冷板表面。

圖2 基于小人法的創新方案

基于設計的接收組件散熱結構，本文還對所設計的結構進行相應熱分析和仿真，從而驗證設計方案的有效性。

2 接收組件散熱結構的熱分析

所設計的接收組件散熱結構外殼是由鋁制殼體和殼蓋焊接而成的密閉腔體，器件內含有多個集成芯片熱源。熱源與散熱風道間隔有一定厚度的LTCC基板（低溫共燒陶瓷）和PCB板，其中LTCC板熱傳導率只有2W/mk。考慮到LTCC基板導熱率較差并結合電路結構的具體情況，為有效實現散熱目標，本文在熱源下分布放置直徑為0.3mm的銀質合金導熱柱，其傳導率為60W/mk，讓熱源的熱量直接傳導至冷板表面。同時接收組件的風道開口采用一定的平滑設計，有效避免了冷卻空氣流經轉接組件與接收組件時風道截面積突變所引起的局部阻力過大問題。具體接收組件如圖3所示。

圖3 設計接收組件結構平面圖

基于上述設計結構，本文還應用熱場理論并結合Icepak熱仿真對所設計的接收組件進行了相應熱分析。

2.1 單個熱源表面溫升計算

為更準確的對接收組件散熱結構進行熱場分析，本文采用由內向外逐層分析的方法，將所得設計方案從熱源至冷卻風的傳熱路徑上的溫升過程分解為四個階段。分別為：熱源表面至導熱柱表面的溫升t1；導熱柱表面至冷板表面溫升t2；冷板表面至流動空氣對流層溫升t3；冷卻空氣流經冷板時吸收引起的溫升t4；根據熱力學理論計算各部分溫升過程如下：

3）判斷流體在風道內流動狀態：

5）熱源表面溫度理論估算值為：

通過計算分析，可得設計方案的最終理論估算單個熱源表面溫度為90.74℃。

2.2 接收組件熱場仿真與分析

本文應用Icepak熱分析軟件對整個接收組件散熱結構進行了模型簡化和熱分析后得到如圖3所示熱源溫度云圖和圖4所示速度場矢量示意圖。

通過圖5可以看出所有熱源的溫度分布都在86.25℃～91.64℃之間，這與理論計算的90.74℃較為接近。因此，可以看出該散熱方案整個系統內溫度梯度較低，且最高溫度低于器件表面工作極限溫度。

圖4 速度場矢量示意圖

3 轉接組件與風道壓力仿真計算

由于航空機載雷達系統接收子陣體積較小，所以要想滿足接收子陣的散熱條件，其整個風道的系統風壓校核和8個接收組件的壓力分配是兩個重要因素。本文利用Fluent軟件對轉接組件與接收組件散熱結構所夠成的風道流域進行仿真，設計一種如圖6所示轉接組件與接收組件陣列風道流域，其中轉接組件的風道采取了漏斗式分風設計。

圖5 熱源溫度云圖

圖6 陣列風道流域三維實體圖

通過對轉接組件與接收組件構成的子陣進行散熱風量進行估算，假設空氣物性參數按照標準大氣壓下20℃干空氣熱物理性質取值，因此可得：

接收組件的總功率為：

這里我們取VR組件入=6m/s。

根據質量守恒定律可知整個系統內質量守恒，由此可以得出Q8R總=QU總。分析可知 接收組件與轉接組件組成的系統壓力至少要滿足以下條件風冷系統才可正常運行：

以下我們假定入口供風量為0.002m3/s時結合Fluent軟件進行仿真分析，可得整個系統的仿真結果。如圖5所示陣列風道壓力分布圖和圖7所示陣列入口矢量壓力分布圖及表1上中下接收組件內風壓與風速統計表。

圖7 陣列風道壓力分布圖

圖8 陣列入口矢量壓力分布圖

表1 上中下接收組件內風壓與風速統計表

通過圖7、圖8和各個接收組件仿真數據表，不難看出在8個接收組件的風道內壓力和速度分布是比較均勻的，且每個接收組件內冷卻空氣的流速是基本符合散熱需求的。但是由于整個系統體積較小，要想滿足系統散熱需求，系統入口的最大壓力值應為1175.43Pa。該壓力數值相對較大，對風機的選擇帶來一定難度。

4 結論

本文在分析航空機載相控陣雷達系統MCM高密度集成組件熱源結構基礎上，采用小人法對散熱結構進行了問題分析并建立了相應創新方案。采用理論計算和Icepak和Fluent熱分析軟件相結合，對相控陣雷達中高密度集成組件中的接收子陣的散熱創新方案進行了熱分析和系統壓力校核。通過計算結果證明所建立的創新設計方案滿足接收組件的散熱需求，且整個系統內通過有效的結構設計達到了均勻分配風壓的效果。該方法可輔助設計人員開始分析并獲得較好的設計方案，通過仿真分析可有效縮短產品生產周期、提高產品可靠性。