蘇力爭，鐘劍鋒，2，唐寶富，2，姚 曄

(1. 南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039；2. 天線與微波技術(shù)國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江蘇 南京 210039)

高效熱擴(kuò)展技術(shù)在干式T/R組件散熱中的對比研究

蘇力爭1，鐘劍鋒1，2，唐寶富1，2，姚 曄1

(1. 南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039；2. 天線與微波技術(shù)國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江蘇 南京 210039)

T/R組件散熱是有源相控陣?yán)走_(dá)領(lǐng)域的重要課題，大功耗、高熱流密度器件在冷板上會形成局部熱障，產(chǎn)生擴(kuò)展熱阻。文中以干式風(fēng)冷T/R組件散熱為研究對象，采用三維數(shù)值模擬方法對鋁冷板、金剛石/銅、熱管及蒸汽腔等高效熱擴(kuò)展技術(shù)進(jìn)行了對比研究，探討了導(dǎo)熱系數(shù)、冷板厚度、對流換熱系數(shù)對擴(kuò)展熱阻的影響規(guī)律。結(jié)果表明，提高冷板的等效換熱系數(shù)是減小擴(kuò)展熱阻、強(qiáng)化傳熱最有效的途徑之一。同時合理優(yōu)化冷板厚度及散熱器對流換熱系數(shù)能有效降低高熱流密度器件的工作溫度。

干式T/R組件；擴(kuò)展熱阻；熱管；蒸汽腔

引 言

T/R組件是有源相控陣?yán)走_(dá)的核心部件，是實(shí)現(xiàn)和保證雷達(dá)整機(jī)性能的關(guān)鍵。伴隨著電子產(chǎn)業(yè)高性能、微型化、集成化的三大發(fā)展趨勢，作為電子設(shè)備核心的芯片的功耗越來越大，產(chǎn)生的熱量也隨之增加。資料表明，功率晶體管內(nèi)PN結(jié)溫每增加10 ℃，其可靠性下降60%，直接影響管子輸出功率、效率等的性能[1]，散熱逐漸成為雷達(dá)設(shè)計的瓶頸之一。因此，減少擴(kuò)展熱阻，提高冷板均溫性能對高熱流密度T/R組件的散熱至關(guān)重要。

總體來說，T/R組件的散熱可以分為兩個步驟，第一步是單個晶體管產(chǎn)生的熱量被傳導(dǎo)至封裝外殼，第二步是通過多種介質(zhì)將熱量從封裝外殼擴(kuò)散到環(huán)境中。具體設(shè)計上存在兩種形式，一種是將冷板直接置于殼體的正下方，另一種是將冷板置于組件殼體的另一端，中間通過導(dǎo)熱段進(jìn)行熱量傳遞。第二種方式稱為干式T/R組件，具有組件插拔過程中無冷卻液泄漏、組件殼體處不會出現(xiàn)結(jié)露以及維護(hù)簡單等優(yōu)點(diǎn)。目前，針對不同的雷達(dá)平臺，通常采用強(qiáng)迫風(fēng)冷和液體冷卻。其中液體冷卻具有溫度梯度小，結(jié)構(gòu)緊湊，噪音小的優(yōu)點(diǎn)，但系統(tǒng)比較復(fù)雜，設(shè)備費(fèi)用高，維護(hù)較困難，而且防凍液存在易堵塞、泄露以及腐蝕金屬結(jié)構(gòu)等問題。強(qiáng)迫風(fēng)冷雖然冷卻效率比液體冷卻差，但可靠性高，維護(hù)方便。

為滿足高熱流密度干式風(fēng)冷T/R組件的散熱需求，僅僅靠增大對流換熱系數(shù)和散熱面積等方法是不可行的，研究如何有效地將熱量從相對較小的熱源面積擴(kuò)散到大面積的熱擴(kuò)展體上已成為十分重要的課題[2]。在廣泛使用的鋁制冷板不能滿足散熱需求的情況下，利用熱擴(kuò)展性能好的新材料和新技術(shù)如金剛石/銅復(fù)合材料、相變技術(shù)、微/宏熱管[3]、蒸汽腔[4]、熱電制冷技術(shù)[5]、液體噴霧冷卻及微通道技術(shù)[6]等，使冷板溫度場擴(kuò)展得更加均勻成為解決T/R組件散熱的有效途徑。

本文將以干式風(fēng)冷T/R組件散熱為研究對象，對其冷卻系統(tǒng)進(jìn)行整體三維數(shù)值模擬。分別將金剛石/銅復(fù)合材料、熱管、蒸汽腔作為傳熱通道進(jìn)行計算，探索不同高效熱擴(kuò)展技術(shù)對冷板強(qiáng)化傳熱的影響規(guī)律，以期為高熱流密度T/R組件冷卻設(shè)計提供指導(dǎo)。

1 擴(kuò)展熱阻影響因素分析

從常規(guī)液冷與干式液冷冷卻方式傳熱過程示意圖(圖1)可以看出，干式冷卻方式熱傳輸路徑長，擴(kuò)展熱阻更大，需對擴(kuò)展熱阻的影響因素進(jìn)行分析，以便有針對性地進(jìn)行研究。

圖1 常規(guī)液冷與干式液冷冷卻方式傳熱過程示意圖

在幾何尺寸和結(jié)構(gòu)布局既定的情況下，總擴(kuò)展熱阻Rt=f(k,t,h)。 以下就導(dǎo)熱系數(shù)k、厚度t和對流換熱系數(shù)h對擴(kuò)展熱阻的影響分別展開討論。

熱傳導(dǎo)問題通常用傅里葉定律來描述，形式如下：

J=-κT

式中：J為體系的熱流密度，即單位時間通過單位面積的熱量；T為材料中的溫度梯度；κ為材料的熱導(dǎo)率。從傅里葉定律可以看出，在系統(tǒng)兩端溫度差固定的情況下，材料熱導(dǎo)率提高，能傳導(dǎo)的熱量也隨之增加，可以采用高導(dǎo)熱材料來提高散熱能力。但在多數(shù)情況下，使用一維穩(wěn)態(tài)傳導(dǎo)熱阻分析熱問題是不充分的，多維傳熱效應(yīng)必須被考慮。如果冷板尺寸足夠大，雖然對流換熱面積增大，但由于溫度場沒有得到很好的擴(kuò)散，使得熱源局部熱區(qū)溫度高，而冷板邊緣區(qū)域的溫度接近于工作環(huán)境溫度，結(jié)果并不能顯著提高散熱性能，反而會增加重量和造成大的能量消耗。

另一個影響因素是厚度，較大的厚度會增加傳導(dǎo)熱阻，但對于由高導(dǎo)熱金屬材料制造的熱擴(kuò)展體來說，在一定的厚度范圍之內(nèi)，增加冷板厚度t對擴(kuò)展熱阻的改善效果明顯。當(dāng)板厚增加到一定數(shù)值后對擴(kuò)展熱阻的改善效果已很不明顯，而且還會顯著加大傳導(dǎo)熱阻，引起總熱阻的增加。

最后一個因素是對流換熱系數(shù)h，流量越大，h越大，溫升越小，散熱效果越好，但流量增加到一定值后，變化曲線趨于平緩，散熱效果改善也越來越不明顯。

2 三維T/R組件有限元建模

2.1 物理仿真模型

由于T/R組件體積較小，內(nèi)部安裝元器件數(shù)量多，根據(jù)發(fā)熱元件在組件內(nèi)的具體位置，建立了干式T/R組件熱分析模型，見圖2。殼體分置于T形板的兩側(cè)，熱源通過殼體和T形板的散熱通道將熱量傳導(dǎo)到散熱器上，為了提高熱源1和熱源2的熱擴(kuò)展能力，在T形板的熱源正下方嵌入高導(dǎo)熱材料擴(kuò)展體。

圖2 T/R組件熱分析模型

表1為T/R組件熱耗參數(shù)。其中，熱源1的單個熱耗為40 W，熱源2的單個熱耗為5 W，熱源3的尺寸為40 mm × 40 mm × 3.5 mm，熱耗為10 W，3熱源總熱耗370 W，平面分布見圖2，T/R組件散熱冷板的外形尺寸為86 mm × 60 mm × 350 mm。

表1 T/R組件熱耗參數(shù)

2.2 材料性能

在該模型中，對T形板、擴(kuò)展體及導(dǎo)熱管設(shè)置不同材料，對比研究材料導(dǎo)熱性能對溫度場的影響，探索降低發(fā)熱器件溫度的技術(shù)途徑。具體分為5種冷卻方式，見表2。

表2 冷卻方式設(shè)置

高金剛石含量金剛石/銅復(fù)合材料綜合了銅和金剛石的優(yōu)良性能，熱導(dǎo)率達(dá)到650 W/(m·K)以上，屬于超高熱導(dǎo)材料，幾乎為鋁合金的4倍，使得集中熱源處的熱擴(kuò)散能力得到加強(qiáng)，溫度場的均勻性有所改善，最高溫度也隨之下降。

熱管作為一種高效傳熱元件，具有極高的導(dǎo)熱性、高散熱效率等特點(diǎn)，非常適合于小溫差高熱流密度條件下的散熱。將熱管技術(shù)應(yīng)用于高熱流密度器件的冷卻，已經(jīng)成為當(dāng)前T/R組件散熱方式的發(fā)展趨勢。在鋁合金冷板上嵌入熱管，通過熱管的超導(dǎo)熱特性使局部熱源產(chǎn)生的熱量快速擴(kuò)展到離熱源更遠(yuǎn)的散熱區(qū)域，以有效減少擴(kuò)展熱阻。散熱器里內(nèi)嵌熱管的工藝現(xiàn)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(jié)構(gòu)，內(nèi)部加工為蒸汽腔(Vapor Chamber，VC)充填工質(zhì)。通過工質(zhì)的蒸發(fā)和冷凝將熱量擴(kuò)散到整個均溫板的表面，從而降低熱流密度。從外形結(jié)構(gòu)上看均溫板與熱管非常相似，不同的是：熱管的一端為蒸發(fā)段，另一端為冷卻段，只能進(jìn)行單向熱傳輸，而均溫板則一面為蒸發(fā)面，相對面(或包含其余各側(cè)面)為冷卻面，可以實(shí)現(xiàn)全向熱傳輸，因此具有優(yōu)越的均溫性和熱運(yùn)輸能力。

因?yàn)闊峁芗罢羝惶匦赃^于復(fù)雜而難以模擬，在數(shù)值分析時使用等效導(dǎo)熱系數(shù)keff來處理熱管及蒸汽腔的計算，取熱管的keff為8 000 W/(m·℃)，蒸汽腔的keff為4 000 W/(m·℃)。

2.3 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分采用非結(jié)構(gòu)化四面體和六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，由于組件結(jié)構(gòu)不規(guī)則，需要對整個計算區(qū)域劃分成幾個子域進(jìn)行網(wǎng)格劃分。散熱器翅片及熱源設(shè)定的網(wǎng)格步長為0.5，殼體、冷板網(wǎng)格步長為2，建立的整個實(shí)體三維網(wǎng)格總數(shù)為166 696，節(jié)點(diǎn)數(shù)為34 471。

2.4 有限元方程及邊界條件

三維直角坐標(biāo)系中的瞬態(tài)溫度場場變量T(x,y,z,t)滿足

(1)

式中：?T/?x、?T/?y、?T/?z為沿x、y、z方向的溫度梯度；λxx、λyy、λzz為熱導(dǎo)率；qo為單位體積的熱生成；ρ為密度；c為比熱容；dT/dt為溫度隨時間的變化率。

(2)

式中：Vx、Vy、Vz為媒介傳導(dǎo)速率。對于穩(wěn)態(tài)熱分析?T/?t=0，式(1)可簡化為

(3)

根據(jù)式(3)加上邊界條件與初始條件，利用迭代法或者消去法求解，得出熱分析結(jié)果。

計算中整體模型的邊界條件：散熱器環(huán)境溫度55 ℃，散熱器表面等效換熱系數(shù)33～100 W/(m2·℃)。

3 結(jié)果與分析

圖3為不同冷卻方式下的熱源最高溫度。由圖可見，鋁冷板和經(jīng)過高導(dǎo)熱材料擴(kuò)展后的冷板相比，最高溫度相差很大。冷板的等效導(dǎo)熱系數(shù)越大，發(fā)熱器件的最高溫度越小。以熱源1為例，5種冷卻方式的最高溫度分別為148.5 ℃、144.3 ℃、125.8 ℃、123.8 ℃、114.9 ℃，T形VC板比鋁合金冷板溫度改善22.6%，從而證明提高冷板的等效換熱系數(shù)是減小擴(kuò)展熱阻、強(qiáng)化傳熱最有效途徑之一，當(dāng)冷板厚度t和散熱器對流換熱系數(shù)h對減小擴(kuò)展熱阻及溫升不能發(fā)揮積極作用時，有必要使用導(dǎo)熱系數(shù)k大的材料。

圖3 不同冷卻方式下的熱源最高溫度(h=33 W·m-2·℃-1，t=8 mm)

圖4所示為熱源1區(qū)域8個監(jiān)測點(diǎn)的溫度分布，可以反映嵌入VC板后溫度的改善效果。從圖中可以看出，嵌熱管時，熱源1區(qū)域8個監(jiān)測點(diǎn)之間的溫差為4.6 ℃，在熱源下嵌入VC板后，溫差降低3 ℃。兩種狀態(tài)下，器件的最高溫度分別為125.7 ℃和123.7 ℃。綜合分析可知，VC板可以有效地擴(kuò)散熱量，減小集中熱源溫度，具有均溫效果，但改善并不明顯，在當(dāng)前實(shí)際設(shè)計中沒有必要將擴(kuò)展體設(shè)置為VC板，以降低成本。

圖4 熱源1區(qū)域8個監(jiān)測點(diǎn)的溫度分布(h=33 W·m-2·℃-1，t=8 mm)

圖5為在其他因素不變的情況下，散熱器等效換熱系數(shù)對發(fā)熱器件最高溫度的影響。從圖中可以看出，風(fēng)流量越大，對流換熱系數(shù)越大，溫升越小，散熱效果越好。但流量增加到一定值后，變化曲線趨于平緩，散熱效果改善也越來越不明顯。以嵌熱管為例，當(dāng)?shù)刃Q熱系數(shù)從33 W/(m2·℃)增加到63 W/(m2·℃)時，熱源1區(qū)域的最高溫度從125.8 ℃降低到112.5 ℃，溫度分布云圖見圖6(a)。而等效換熱系數(shù)從63 W/(m2·℃)增加到98 W/(m2·℃)，引起的溫度改善為5 ℃，而且隨著流量的增大，壓力損失也越來越大，散熱效率降低。因此，在實(shí)際工程應(yīng)用中，不能僅僅依靠加大風(fēng)量來改善散熱效果，需結(jié)合其他因素綜合考慮。

圖5 熱源1的最高溫度和等效換熱系數(shù)的關(guān)系

圖6 兩種冷卻方式下熱源1區(qū)域的溫度分布云圖(h=33 W·m-2·℃-1，t=8 mm)

對于由高導(dǎo)熱材料制造的冷板，在一定的厚度范圍之內(nèi)，增加冷板厚度t對擴(kuò)展熱阻的改善效果明顯。但較大的厚度會增加傳導(dǎo)熱阻，當(dāng)板厚增加到一定數(shù)值后對擴(kuò)展熱阻的改善效果已很不明顯，而且還會顯著加大傳導(dǎo)熱阻，引起總熱阻的增加。圖7為在其他因素不變的情況下，冷板厚度對熱源1區(qū)域最高溫度的影響。從圖中可以看出，冷板厚度從6 mm到10 mm，隨著厚度的增加，冷板變重，但擴(kuò)展熱阻卻逐步改善，以T形VC板為例，最高溫度降低5℃，冷板厚度為12 mm時，最高溫度反而上升。因此在該設(shè)計中，冷板厚度以選取10 mm為佳。

圖7 不同冷板厚度對熱源1區(qū)域最高溫度的影響(h=33 W·m-2·℃-1)

對雷達(dá)陣面單個T/R組件進(jìn)行三維熱分析的結(jié)果，對設(shè)計T/R組件的冷卻方式、冷板厚度及等效換熱系數(shù)等參數(shù)的制定提供了較合理的仿真數(shù)據(jù)。根據(jù)分析結(jié)果，對于干式T/R組件，采用T形VC板，冷板厚度設(shè)定為10 mm，等效換熱系數(shù)為58.9 W/(m2·℃)時，熱源1、2、3的溫度分別為98.3 ℃、79.5 ℃、77.6 ℃，能夠滿足設(shè)計指標(biāo)。但是，組件的熱源分布作了相應(yīng)的簡化，不能完全說明整個陣面的散熱情況，僅為深入設(shè)計提供理論指導(dǎo)，與實(shí)際情況存在一定的誤差，尚需通過實(shí)驗(yàn)來進(jìn)一步驗(yàn)證。

4 結(jié)束語

減小擴(kuò)展熱阻對高熱流密度T/R組件的散熱至關(guān)重要。冷板厚度、對流換熱系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)是影響擴(kuò)展熱阻的3個參數(shù)。通過合理優(yōu)化，可以最大限度地提高強(qiáng)化傳熱的效率，從而滿足設(shè)計要求，具體結(jié)論如下：

1)通過使用新材料和新技術(shù)等手段來提高熱擴(kuò)展體的等效換熱系數(shù)是減小擴(kuò)展熱阻、強(qiáng)化傳熱最有效的途徑之一。

2)冷板厚度對擴(kuò)展熱阻的改善具有最優(yōu)值，并非越大越好。在本文組件設(shè)計中，冷板厚度以選取10 mm為佳。

3)散熱器對流換熱系數(shù)越大，溫升越小，但不能僅僅依靠加大風(fēng)量來改善散熱效果。而且隨著流量的增大，壓力損失也越來越大，應(yīng)結(jié)合翅片結(jié)構(gòu)合理優(yōu)化。

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蘇力爭(1980-)，男，高級工程師，研究方向?yàn)門/R組件及有源陣面結(jié)構(gòu)。

鐘劍鋒(1967-)，男，研究員級高級工程師，研究方向?yàn)門/R組件及有源陣面結(jié)構(gòu)。

唐寶富(1967-)，男，研究員級高級工程師，研究方向?yàn)橛性搓嚸娼Y(jié)構(gòu)。

Comparison Research of High Efficiency Thermal Spreading Technology in Heat Dissipation of Dry-type T/R Module

SU Li-zheng1，ZHONG Jian-feng1,2，TANG Bao-fu1,2，YAO Ye1

(1.NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology，Nanjing210039,China；2.NationalKeyLaboratoryofAntennaandMicrowaveTechnology,Nanjing210039,China)

Heat dissipation of T/R module is an important topic in the area of active phased array radar. High power and high heat flux electronics cause hot spots in cold plate, and thermal spreading resistance arises. In this paper, the heat dissipation of dry-type T/R module is analyzed. High efficiency thermal spreading technology including aluminum cold plate, diamond/copper composite, heat pipe and vapor chamber are analyzed and compared using 3D numerical simulation method. The effects of thermal conduction coefficient, cold plate thickness and convection heat transfer coefficient on thermal spreading resistance are discussed. The results show that increasing equivalent thermal conduction coefficient of the cold plate is one of the most effective methods for thermal spreading resistance decreasing and heat transfer enhancement. At the same time, the operating temperature of the devices with high heat flux can be reduced effectively through the optimization of cold plate thickness and convection heat transfer coefficient.

dry-type T/R module; thermal spreading resistance; heat pipe; vapor chamber

2013-11-12

國防基礎(chǔ)科研重點(diǎn)資助項目(JCKY2013210B004)

TK124；TN959.1

A

1008-5300(2014)01-0007-04