32通道數字陣列模塊PCB散熱設計

王子君， 關宏山

(中國電子科技集團公司第三十八研究所， 安徽合肥 230088)

0 引言

數字陣列模塊(Digital Array Module，DAM)是數字相控陣天線的核心組成部分，主要負責多通道數字信號的收發和處理功能，同時也是天線陣面的主要熱源。隨著相控陣天線朝著高功率、高靈敏度和高分辨率方向發展，以及GaN類芯片的大范圍應用，組件芯片熱流密度普遍達到100 W/m量級，并且逐漸向著1 000 W/m邁進。因此，實現DAM的高效散熱便成了關鍵問題。研究表明，DAM性能受其內部半導體器件溫度影響較大，散熱不暢將引起其幅度和相位的偏差。為保證其長期穩定可靠的工作，必須采取有效的熱控手段以保證其工作溫度在許可范圍內。

對于DAM散熱的研究，目前主要散熱方式有風冷、液冷和兩相流冷卻。采用風扇驅動的主動式風冷，因其成本低廉、使用方便，得以廣泛應用，但散熱能力有限。隨著高集成、高功率和高熱耗DAM的需求不斷增長，風冷散熱方式已無法滿足高熱耗DAM的散熱需求。

為有效解決該問題，一種兩相冷卻系統被提出。Wits和Nikolaenko對兩相熱管用于雷達系統中功率器件的冷卻開展了實驗研究。張根烜和Hartenstine提出將兩相閉式熱虹吸回路系統應用于功率器件的冷卻，并通過實驗研究了系統充液量、工作傾角等參數對系統散熱性能的影響。由于兩相流系統工質的流動依靠兩相流的虹吸效應，對于微小型雷達系統的冷卻效果較好，很難應用于大型復雜天線陣面的散熱。

為此，時海濤和Alpsan提出將液冷冷板應用于雷達DAM組件的散熱，通過仿真分析對冷板流道結構及其散熱性能進行了優化研究。為建立有源相控陣天線冷板通道的設計準則，Park利用計算流體動力學分析的方法，評估了冷板內流體流速、發射/接收模塊數量與冷板冷卻性能的關系。然而，上述文獻的研究焦點僅集中在冷板自身的結構和流動特性上(如研究新的冷板形式、流道類型等)。對于DAM內元器件，其熱量如何傳遞至冷板，即元器件的散熱途徑問題很少有文獻開展研究。

本文首次針對32通道DAM開展散熱設計研究，提出采用雙層凸臺的設計方案，以解決DAM內部大功率元器件的散熱途徑問題；提出冷板與DAM框架結合的一體化設計思路，以解決DAM結構高集成度的需求。首先通過熱仿真手段對一體化設計方案進行驗證，并探索雙層凸臺的散熱機理。之后，設計不同寬度的凸臺，研究雙層凸臺尺寸對器件溫度的影響規律。

1 研究對象簡介

1.1 結構描述

DAM主體尺寸為232 mm×152 mm×37 mm(長×寬×高)，其內部結構如圖 1所示。DAM主要由印制電路板(PCB)、器件G、框架構成，PCB和器件G通過多個螺釘固定在殼體上。PCB兩側均分布有元器件，其主要發熱器件布局如圖 2所示。PCB上所有器件均通過表貼焊接的方式安裝于PCB上。

圖1 DAM內部結構

(a) PCB上部 (b) PCB下部圖2 PCB主要器件布局

1.2 發熱器件熱耗參數

DAM發熱器件的熱耗值見表 1，整個DAM發熱量為317.9 W。其中，器件A的熱流密度最高，為11 W/cm。

表1 模塊主要設備熱量情況

2 關鍵問題及解決措施

本文研究的DAM模塊體積小、總體熱耗高、器件局部熱流密度大，為確保器件的正常工作，需保證DAM內所有器件殼溫不超過85 ℃。由于熱耗大部分集中在PCB上，因而針對PCB上的器件，提出采用雙層凸臺+一體化液冷板的設計方案，如圖3所示。

圖3 DAM內部器件傳熱路徑

對于PCB上部的器件(A、B、C、D)，通過在蓋板上設置凸臺，使熱量由器件傳導至蓋板，然后再通過框架傳導至冷板。同時，在冷板上設置凸臺，使器件熱量通過PCB傳導至凸臺，最后傳導至冷板。所有器件與凸臺接觸面墊導熱襯墊，導熱襯墊厚度為0.5 mm，熱導率為5 W/(m·℃)。蓋板與框架之間通過螺釘連接，接觸面涂導熱硅脂。

對于PCB下部的組件(E、F)，可通過與冷板直接接觸導熱，接觸面墊0.5 mm厚的導熱襯墊。

器件G則通過螺釘安裝在冷板下部，產生的熱量可直接傳導至冷板，其與冷板之間的接觸面涂導熱硅脂。

由于空間限制，DAM的液冷板采用與框架一體化加工。在框體中間的金屬板內開設相應的流道，依靠流道內冷卻液的流動與冷板進行熱交換，從而帶走DAM的熱量，也即把框架中間的金屬板加工成液冷板。其中，冷板采用蛇形流道，并保證流道流經主要發熱器件正下方。將冷板與框架結構一體化設計，中間的冷板不僅起到散熱作用，同時可作為PCB和四通道前端模塊的支撐結構。冷板流道截面為矩形，尺寸為8 mm×4 mm(寬×高)，流道布局如圖4所示。由于器件A的熱流密度高，為強化冷板散熱效果，對于器件A下方的流道，在內部增設三條散熱翅片，翅片厚1 mm，間距2 mm，同時拓寬流道截面至11 mm。

(a) 流道截面圖 (b) 流道透視圖圖4 冷板流道布局

3 模型構建

3.1 材料物性

根據軟件建模以及模塊自身的特點，建模過程中對一些與散熱影響不大的細節特征進行了適當的簡化。主要簡化內容包括：

1) 忽略輻射散熱的影響；

2) 忽略了小圓孔、螺釘孔、倒角等特征；

3) 忽略了部分小的筋板；

4) 材料熱物性不隨溫度發生變化。

模型涉及的材料熱物性見表 2。考慮到環境適應性，冷卻液選擇濃度60%的乙二醇溶液。PCB板材料熱導率設置為各向異性，沿PCB板厚度方向熱導率為0.5 W/(m·℃)，沿平面方向熱導率為42 W/(m·℃)。框架及冷板材料為鋁合金。

表2 材料熱物性參數

3.2 邊界條件

由于DAM的工作溫度范圍為-40～+55 ℃，計算時選取最高工作溫度55 ℃作為環境溫度。冷卻液流量為1.44×10m/s，入口溫度為30 ℃。冷卻液流動粘度模型為層流，選取基于壓力-速度的耦合求解器，計算條件為穩態。

3.3 網格無關性驗證

為確保計算結果的準確性，需對模型的網格尺寸進行分析。為此，分別對不同網格數量的模型開展計算，圖 5給出了器件A的溫度與網格數的關系。可以看出，當網格數量大于200萬之后，器件A的溫度基本不變，表明計算結果與網格尺寸無關。因而，為獲得準確的計算結果，后續計算過程中模型網格數量保持在250萬左右。

圖5 器件A溫度與網格數的關系

4 結果分析

4.1 凸臺形式影響分析

圖 6為環境溫度55 ℃情況下，擁有雙層凸臺的DAM內部器件溫度分布云圖。可以看出，在30 ℃供液條件下DAM內部器件A的溫度最高，達到83 ℃，表明所有器件均滿足殼溫低于85 ℃的冷卻要求。圖 7給出了DAM截面溫度云圖，對照圖 3可知，雙層凸臺+一體化液冷板的設計使得DAM內部器件擁有通暢的導熱路徑，保證了所有器件熱量均能快速地傳遞至冷板。對于器件A，通過提取內部熱流密度，可得到器件A通過上凸臺傳導的平均熱量為8.4 W，通過下凸臺傳導的平均熱量為1.1 W，通過PCB橫向傳遞的平均熱量為1.5 W。可見，器件A的熱量主要通過上凸臺導出。盡管器件A是直接焊接在PCB上的，由于PCB的各向異性，其在厚度方向的熱導率僅為0.5 W/(m·℃)，縱向傳導熱阻較大，因而器件A的熱量很難通過PCB縱向傳導至下凸臺。同時，PCB在平面方向的熱導率為42 W/(m·℃)，橫向擴展熱阻較小，因而器件A可通過PCB橫向傳導1.5 W的熱量。

(a) DAM

圖7 DAM截面溫度云圖

對于PCB上部的其他器件，其散熱機理與器件A相似。對于PCB下部的器件E和F，其直接與冷板接觸，因而其熱量可直接傳導至冷板。

作為對比，本文同樣研究了僅有上層凸臺和僅有下層凸臺時，DAM內部器件的溫度水平，器件殼溫計算結果對比見表3。可以看出，僅有下層凸臺時，器件A、B、C和D的殼溫嚴重超出指標要求。僅有上層凸臺時，雖然器件溫度水平與下層凸臺形式相比得到大幅降低，但器件A的溫度仍舊不滿足指標要求。因而可以看出，對于雙層凸臺的散熱形式，器件A、B、C、D的熱量主要通過上層凸臺導出，這一點與前述分析結果一致。

表3 不同凸臺形式時的器件殼溫 ℃

4.2 凸臺尺寸影響分析

為研究雙層凸臺尺寸對器件溫度的影響，以器件A位置處的凸臺為研究對象，分別設計了不同寬度的凸臺。以凸臺寬度與器件寬度的比值為分析對象，分別取1∶3、1∶2、1∶1、2∶1、3∶1、4∶1(上下凸臺寬度相同)，相應的計算結果如圖 8所示。可以看出，當值由1∶3增大至1∶1時，器件A的溫度顯著降低，也即凸臺尺寸越大，散熱能力顯著提高；當值大于1∶1后，凸臺尺寸的增大對散熱能力提升的貢獻并不顯著。該現象可由凸臺的擴展熱阻來解釋。當凸臺尺寸較小時，影響凸臺散熱的瓶頸在于凸臺的橫向擴展熱阻較大。隨著凸臺的值增大至1∶1，凸臺橫向擴展熱阻顯著減小，因而器件溫度顯著降低。當值大于1∶1，此時散熱瓶頸在于凸臺的縱向導熱熱阻，因而繼續增大凸臺寬度，對散熱能力的提升較小。因此，工程設計中建議值應大于1∶1。

圖8 凸臺/器件寬度比ε對器件A溫度的影響

5 結束語

針對32通道DAM散熱問題，采用了雙層凸臺和一體化冷板的設計方案，熱分析結果表明，DAM內部器件最高殼溫為83 ℃，滿足器件殼溫不超過85 ℃的要求。同時，通過對凸臺導熱路徑的分析，闡述了雙層凸臺的散熱機理。最后，研究了凸臺寬度對器件溫度的影響，建議凸臺/器件寬度比應大于1∶1。本文提出的設計思路，可為多通道DAM的散熱問題提供更有效的解決手段。