APG導(dǎo)熱性分析及在雷達(dá)中的應(yīng)用研究

陳怡心 蘇力爭(zhēng) 王克軍 劉繼鵬 祝起凡

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

隨著有源相控陣?yán)走_(dá)“高度集成化”和“模塊化”新設(shè)計(jì)理念的應(yīng)用以及數(shù)字發(fā)射/接收組件的進(jìn)一步發(fā)展，尤其是近幾年大功率微波器件的研制成功對(duì)微波組件殼體的小尺寸和散熱能力要求越趨苛刻，熱問(wèn)題逐漸成為高功率組件首先要解決的關(guān)鍵技術(shù)之一，直接影響到微波功率組件的可靠性和壽命[1]，采用高效熱擴(kuò)展技術(shù)是解決雷達(dá)散熱問(wèn)題的關(guān)鍵技術(shù)途徑[2-3]，而現(xiàn)有熱擴(kuò)展技術(shù)材料在傳熱性能以及重量方面有一定局限性，迫切需要開展新型高效熱擴(kuò)展材料研究。

1 常用導(dǎo)熱材料性能分析

功率器件在工作時(shí)有相當(dāng)一部分電能轉(zhuǎn)化為熱能使自身的溫度升高，為保障器件安全可靠運(yùn)行，通常為器件采用強(qiáng)制風(fēng)冷、水冷、熱管等散熱措施。這些散熱措施有效緩解功率器件過(guò)熱問(wèn)題的同時(shí)，無(wú)疑也加大了設(shè)備的體積、質(zhì)量、制造難度和成本[4]。而采用復(fù)合高導(dǎo)熱材料來(lái)散熱，可有效解決這些問(wèn)題。高導(dǎo)熱材料是熱導(dǎo)率在 200 W/(m·K)以上的材料，目前，常用典型的導(dǎo)熱材料有銅、鋁和石墨等[5]，其主要性能及指標(biāo)如表1所示。

表1 常用導(dǎo)熱材料性能及指標(biāo)

退火態(tài)熱解石墨(Annealed Pyrolytic Graphite，簡(jiǎn)稱：APG)是熱解石墨(Pyrolytic Graphite，簡(jiǎn)稱：PG)在一定的預(yù)應(yīng)力下經(jīng)高溫?zé)崽幚淼玫降囊环N微觀結(jié)構(gòu)接近石墨晶體的各向異性超高導(dǎo)熱材料，石墨片層方向(a向)的熱導(dǎo)率達(dá)到1500W/(m·K)以上，約是銅合金的四倍、鋁合金的六倍；垂直方向(c向)的熱導(dǎo)率約為10～20W/(m·K)。APG是比較理想的適合于工程應(yīng)用的高導(dǎo)熱材料，當(dāng)前，國(guó)內(nèi)APG材料在散熱方面的技術(shù)研究尚處于起步階段，缺乏準(zhǔn)確的熱導(dǎo)率等相關(guān)參數(shù)，為此，本文采用試驗(yàn)與仿真相結(jié)合的方式，對(duì)APG材料的導(dǎo)熱性及在雷達(dá)信處板中的散熱效果進(jìn)行了定量分析。

2 APG材料導(dǎo)熱性能分析

2.1 導(dǎo)熱性能試驗(yàn)

2.1.1 試驗(yàn)平臺(tái)搭建

為了定量分析APG的導(dǎo)熱性能，本文進(jìn)行了導(dǎo)熱性能試驗(yàn)。導(dǎo)熱性能試驗(yàn)采用相同的安裝方式、相同的加熱功率電阻、相同的導(dǎo)熱界面材料(導(dǎo)熱硅脂)、相同尺寸大小、相同位置的測(cè)試點(diǎn)去分別測(cè)試APG板、銅板、鋁合金板在25W下的導(dǎo)熱性能。

2.1.2 試驗(yàn)內(nèi)容介紹

先將加熱電阻安裝于試驗(yàn)樣件中心部位，并在試驗(yàn)樣件上布置11個(gè)熱電偶測(cè)試點(diǎn)，如圖1所示，圖1(a)展示了正面的測(cè)試點(diǎn)104、105、107、112、113、114點(diǎn)，圖1(b)展示了反面的測(cè)試點(diǎn)103、108、109、110、111點(diǎn)，使用穩(wěn)壓電源對(duì)功率電阻通電加熱，將功率加到25W，采用Agilent BenchLink Data Logger3軟件記錄數(shù)據(jù)(每10s采集一次數(shù)據(jù))。

圖1 試驗(yàn)測(cè)試點(diǎn)分布示意圖和試驗(yàn)儀器實(shí)物圖

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

在室溫24℃，功率25W條件下，分別對(duì)APG板、銅板及鋁合金板在自然散熱方式下進(jìn)行試驗(yàn)和分析，得到APG板、銅板和鋁合金板各測(cè)試點(diǎn)溫度變化情況以及溫度對(duì)比情況，如圖2所示。

圖2 三種基板溫度變化曲線圖和溫度對(duì)比圖

從圖2中可以看出，在環(huán)境溫度為24℃時(shí)的自然散熱條件下，熱耗功率為25W達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，APG板上各測(cè)試點(diǎn)的溫差比銅板和鋁合金板的各測(cè)試點(diǎn)的溫差要小很多，區(qū)別十分明顯，表明APG板的均溫性很好。而且，在達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，APG板上測(cè)試點(diǎn)的最高溫度為66.9℃，銅板上測(cè)試點(diǎn)的最高溫度為85.5℃，鋁合金板上測(cè)試點(diǎn)的最高溫度為92.6℃，因此，APG板不僅均溫性非常好，而且其最高溫度也遠(yuǎn)低于銅板和鋁合金板。

2.3 熱仿真分析

2.3.1 仿真模型建立

本文在試驗(yàn)之后，通過(guò)Flotherm軟件仿真分析了APG板、銅板、鋁合金板在自然散熱方式下的散熱效果，并通過(guò)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證仿真模型的準(zhǔn)確性。首先利用Flotherm軟件建立仿真幾何模型，該仿真模型與實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵恢?，從上至下依次為功率器件、?dǎo)熱硅脂、試驗(yàn)基板(APG板、銅板、鋁合金板)。

2.3.2 網(wǎng)格劃分、邊界條件設(shè)置

采用Flotherm軟件提供的網(wǎng)格劃分工具對(duì)建立的仿真幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，確定了最終網(wǎng)格劃分結(jié)構(gòu)。環(huán)境溫度設(shè)定為24℃，模型幾何尺寸為200mm×100mm×2mm，由于APG為各向異性的導(dǎo)熱材料，初步設(shè)定APG的熱導(dǎo)率參數(shù)為X-Y向?qū)嵯禂?shù)1500W/(m·K)，厚度Z方向?qū)嵯禂?shù)10W/(m·K)，將仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，通過(guò)迭代修改APG的熱導(dǎo)率參數(shù)，直到仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)基本一致為止。

2.3.3 仿真結(jié)果分析

通過(guò)Flotherm軟件仿真分析，得到APG板、銅板、鋁合金板在25W自然散熱下的仿真分析數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理，并將試驗(yàn)得到的穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)與仿真得到的穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比后，得到圖3曲線。

圖3 試驗(yàn)與仿真對(duì)比圖和溫度云圖

從圖3(a)、圖3(b)、圖3(c)中可以看出，APG板、銅板、鋁合金板的仿真數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基本吻合，測(cè)試點(diǎn)107和113由于膠帶遇熱松動(dòng)等試驗(yàn)誤差與仿真結(jié)果有所差異，但都在誤差可控范圍內(nèi)，通過(guò)仿真結(jié)果可知，當(dāng)APG導(dǎo)熱系數(shù)設(shè)定為X-Y向1700W/(m·K)，厚度Z方向?yàn)?0W/(m·K)時(shí)，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本一致，具有較高的吻合度。

圖3(d)、圖3(e)、圖3(f)為仿真結(jié)果的溫度云圖，APG板的溫度云圖區(qū)間為62.6℃～72.9℃，銅板的溫度云圖區(qū)間為64.5℃～90℃，鋁合金板的溫度云圖區(qū)間為49.9℃～91.7℃，可見APG板的散熱能力比銅板和鋁合金板的散熱能力更好。

3 APG在雷達(dá)模塊中的應(yīng)用研究

在自然散熱電子設(shè)備中，鋁合金是當(dāng)前常用的散熱材料。研究表明，金屬和石墨材料組合的熱擴(kuò)散能力可充分發(fā)揮石墨優(yōu)良的導(dǎo)熱性能[6]。本文通過(guò)Flotherm軟件仿真分析了鋁合金信處板和APG/鋁合金信處板一體化構(gòu)件兩者之間在25W自然散熱方式下的差異。環(huán)境溫度設(shè)定為24℃，信處板材料為6061鋁合金，信處冷板大小為240.9mm×149.23mm×9mm，APG的熱導(dǎo)率參數(shù)設(shè)置為X-Y向?qū)嵯禂?shù)1700W/(m·K)；厚度Z方向?qū)嵯禂?shù)10W/(m·K)，APG厚度為2mm。圖4為APG/鋁合金信處板一體化構(gòu)件仿真模型，共有7個(gè)熱源，每個(gè)熱源上功耗如圖所示。鋁合金信處冷板仿真模型的正面無(wú)APG，背面與APG/鋁合金信處板一體化構(gòu)件完全相同。

圖4 APG/鋁合金信處板一體化構(gòu)件仿真模型

對(duì)兩種散熱結(jié)構(gòu)的計(jì)算仿真模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并且在各熱源中心位置及其板對(duì)面的相對(duì)位置各設(shè)置一個(gè)溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)，共計(jì)14個(gè)溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)，標(biāo)記為101～114，兩種結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)布局完全相同。

圖5為仿真分析得到的在25W功率下鋁合金信處冷板和APG/鋁合金信處冷板一體化構(gòu)件的溫度時(shí)間曲線圖。

圖5 信處板溫度時(shí)間曲線和穩(wěn)態(tài)溫度對(duì)比圖及溫度云圖

從圖5(a)、圖5(b)、圖5(c)中可以看出，加了APG的信處板比不加APG的信處板均溫性更好，而且最高點(diǎn)的溫度低了近4℃。

圖5(d)、圖5(e)溫度云圖可以看出，APG/鋁合金信處板一體化構(gòu)件的散熱能力比鋁合金信處板的散熱能力更好。

從仿真數(shù)據(jù)分析可知，在采用APG增強(qiáng)換熱之后，信處板表面溫度下降近4℃，同時(shí)對(duì)比各監(jiān)控點(diǎn)的溫度差值可知，鋁合金信處板散熱結(jié)構(gòu)溫度最高測(cè)試點(diǎn)(測(cè)點(diǎn)114)與溫度最低測(cè)試點(diǎn)(測(cè)點(diǎn)107)的溫差為10℃，APG/鋁合金信處板一體化構(gòu)件的溫差僅為0.85℃，溫差減小近90%，可見，APG對(duì)結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱具有很好的改善作用，其均溫性更好。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文采用試驗(yàn)測(cè)試和仿真分析相結(jié)合的方法對(duì)APG材料的高導(dǎo)熱性能進(jìn)行了驗(yàn)證研究，同時(shí)還對(duì)APG/鋁合金信處板一體化構(gòu)件進(jìn)行了仿真分析。通過(guò)仿真分析表明，在導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)表面增加APG材料后，由于APG材料的超高導(dǎo)熱率，可使自然散熱情況下鋁合金信處板的導(dǎo)熱性能得到大大改善，其均溫性更好，而且APG材料密度小，重量輕，能有效減輕結(jié)構(gòu)重量，為解決雷達(dá)存在的散熱問(wèn)題提供了一種新思路和新途徑。