廖長江，冷國俊，尹本浩

（中國電子科技集團(tuán)公司第二十九研究所，四川 成都 610036）

引 言

隨著微電子技術(shù)的不斷發(fā)展，電子芯片的尺寸不斷縮小，芯片的熱流密度急劇增加，芯片出現(xiàn)的熱失效問題增多，嚴(yán)重影響了電子設(shè)備的高效、穩(wěn)定、安全運行和使用壽命[1]。一個常規(guī)陣列通常包含十幾乃至上百個T/R組件，單個陣列的不同T/R組件的功率也不一致。陣列中各單元的工作熱耗一致，但因流阻、加工組裝誤差、通道一致性等各種因素的差別，實際分配給各單元的冷卻資源有較大的差異（通常實際的流體分配量與額定設(shè)計值的差別可達(dá)10%～35%），使各單元的實際冷卻效果不一樣，進(jìn)而產(chǎn)生了熱不均勻性。在陣列電子設(shè)備中，T/R組件對工作溫度一致性的要求也越來越高，溫度分布不均勻?qū)﹄娦阅艿挠绊懯诛@著[2-3]。在工程界，如何將冷卻資源合理分配給每個T/R組件，使T/R組件實現(xiàn)均勻的溫度分布是一個迫切需要解決的問題。

傳統(tǒng)的陣列散熱技術(shù)主要采用被動分流方式，分流的穩(wěn)定性和均勻性較難達(dá)到工程要求。同時，實際加工和裝配精度及負(fù)荷波動等擾動對分流的均勻性也有較大影響。經(jīng)仿真和實驗研究，本文提出的主動式多級熱管理系統(tǒng)，可以實現(xiàn)陣列熱源芯片（T/R組件）冷卻液的合理分配及良好的均溫性。該系統(tǒng)主要包括被動分流單元、主動分流單元和流量控制單元。被動分流單元主要是根據(jù)流體力學(xué)理論，對流道尺寸和結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化的分流板；主動分流部分由微通道散熱結(jié)構(gòu)、微型控制閥、溫度監(jiān)測單元等組成；流量控制單元是根據(jù)實際陣列功耗的變化與溫度反饋，利用比例-積分-微分（Proportion-Integral-Differential, PID）算法實現(xiàn)流量控制。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 邊界條件

設(shè)計一個熱管理系統(tǒng)樣機，該樣機包含主動分流單元、被動分流單元及溫度控制單元。每個主動分流單元的四通道T/R組件作為一個溫控單元。在實驗中，利用薄膜電阻來模擬T/R功放芯片，其尺寸為3 mm×3 mm，采用12 V電源供電。實驗條件如下：1）測試的環(huán)境溫度為25°C；2）每個模擬T/R功放熱源的最大熱耗為25 W，熱流密度為278 W/cm2；3）供液流量為0.6 L/min，供液溫度為25°C；4）溫度分布一致性考核要求為16元T/R功放模擬芯片的均溫性≤10°C。

1.2 系統(tǒng)集成方案

主動熱管理系統(tǒng)由被動分流單元、主動分流單元（包括微通道散熱結(jié)構(gòu)、溫度監(jiān)測單元以及微型閥等部件）、流量控制單元等組成。系統(tǒng)冷卻液采用“一進(jìn)一出”的方式，首先通過被動分流單元，將冷卻液分流到各個主動分流單元，作為系統(tǒng)的第一次分液；溫度監(jiān)測單元采集每個主動分流單元上4個模擬功放芯片的功耗及溫度；主動流量控制單元通過溫度采集—反饋—PID算法—執(zhí)行機構(gòu)（微型網(wǎng)）主動控制主動分流單元的流量，對每個單元的芯片溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，實現(xiàn)良好的陣列均溫性。

圖1為熱管理系統(tǒng)（4個單元）的整體集成原理示意圖。系統(tǒng)的冷卻液通過進(jìn)液口進(jìn)入被動分流單元（一級分流），經(jīng)初步分流后進(jìn)入每個主動分流網(wǎng)絡(luò)單元（二級分流）對熱源進(jìn)行冷卻散熱，然后再匯流到被動分流單元，返回系統(tǒng)前端。

圖1 主動式多級熱管理系統(tǒng)內(nèi)部集成示意圖

主動分流單元由散熱微通道、微型閥、密封圈、冷卻液入口、冷卻液出口和功放元件等組成，如圖2所示。它采用一進(jìn)一出的結(jié)構(gòu)，先流經(jīng)電磁閥，然后流入內(nèi)部散熱通道。芯片采用微通道散熱。目前，國內(nèi)外對微通道的設(shè)計及散熱能力進(jìn)行了較多的仿真和實驗研究[4-6]，實測散熱能力可達(dá)500 W/cm2。電阻對應(yīng)的分流單元的下表面采用鍍金處理，每個主動分流單元微通道上方粘貼有4個熱源元件。主動分流單元與被動分流單元接口處通過密封圈密封，防止漏液。微型閥嵌在冷卻液入口位置。流量控制單元根據(jù)溫度分布情況控制冷卻液流量的大小。

圖2 主動分流單元結(jié)構(gòu)

被動分流是利用精細(xì)設(shè)計的流道、耦合重力、加速度等影響要素，固化流體路徑上的阻力特性和相互匹配特性，使冷卻液可靠、準(zhǔn)確地定量分配到各個末端的熱沉支路中。

被動分流單元由一個進(jìn)液口、一個出液口和分流流道組成，分為流道層（分布有分流散熱微通道）和蓋板層，二者采用真空焊接。系統(tǒng)冷卻液由進(jìn)液口流入，通過被動分流分為4路進(jìn)入主動分流單元冷卻熱源組件，之后再匯流到出液口，返回系統(tǒng)前端。

整個熱管理系統(tǒng)的集成方案如圖3所示，主動分流單元和被動分流單元通過密封圈連接密封。冷卻液通過被動分流單元分流后分別到4個主動分流單元。整個系統(tǒng)一共有16元T/R模擬功放芯片：每4元T/R模擬功放芯片安裝在一個主動散熱單元（共4個主動散熱單元）上，4個主動散熱單元集成在被動分流單元上。

圖3 整體集成系統(tǒng)模型

2 熱源溫度控制方案

在主動分流單元熱源的溫度主要通過主動分流單元調(diào)節(jié)。在熱源表面設(shè)置溫度采集傳感器，采用貼片式熱敏電阻，每個熱敏電阻在裝配前要經(jīng)過校準(zhǔn)篩選，以減小系統(tǒng)溫度測量誤差。

通過熱敏電阻采集熱源的溫度，再根據(jù)溫度數(shù)據(jù)通過采集電路進(jìn)行溫度均勻性比較、PID控制和脈寬調(diào)制（Pulse Width Modulation, PWM），來控制微型閥，調(diào)節(jié)主動分流單元的流量，控制16元模擬熱源的溫度差，使之保持在一定的范圍內(nèi)。圖4為系統(tǒng)的控制示意圖。

圖4 溫度控制方案

電磁閥具有較快的響應(yīng)速度并能提供較大的驅(qū)動力和位移。在電子戰(zhàn)系統(tǒng)中陣列冷卻資源的分配就需要響應(yīng)速度快，動作執(zhí)行迅速，有足夠的驅(qū)動力來克服流體較大的壓力。目前電磁閥技術(shù)比較成熟，在較高的來流壓力下，能提供較大的驅(qū)動力來控制閥門調(diào)節(jié)流量，所以本文將電磁微閥集成到組件之中進(jìn)行主動分流。

3 流阻匹配及熱設(shè)計

針對被動分流單元，優(yōu)化流體阻力特性和匹配特性，使冷卻液被可靠、準(zhǔn)確地分配到各個末端熱沉支路中[7]。首先需要保證被動分流單元的流阻與整個系統(tǒng)設(shè)計的流阻分配相匹配，使冷卻液在被動分流階段初步獲得較好的分流。

樹狀分形網(wǎng)絡(luò)在國內(nèi)外有較多的實驗和數(shù)值研究[8]，普遍認(rèn)為基于樹狀分形網(wǎng)絡(luò)的流道具有更高的分流均勻性，從而使溫度場分布較為均勻。同時需要設(shè)計主動分流單元的微通道散熱翅片和流體通道，以提高對流換熱系數(shù)，獲取高的換熱量。本文設(shè)計了被動分流單元的分流網(wǎng)絡(luò)和主動分流單元的流道和散熱翅片，并進(jìn)行了仿真優(yōu)化設(shè)計和分析，得到優(yōu)化后的設(shè)計模型。被動分流單元的設(shè)計結(jié)構(gòu)流場仿真結(jié)果見圖5和表1。

圖5 被動分流單元流阻分析

從表1可以看出，被動分流單元分流為4路之后，流量偏差較小，最大和最小的誤差不超過5%，滿足初步被動分流設(shè)計要求。

表1 被動分流單元的4個出口流量

主動分流單元的結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖6所示。冷卻液從入口分為兩路流過散熱翅片，最后合為一路流出主動分流單元，回到被動分流單元。

圖6 主動分流單元流道設(shè)計

主動分流單元的熱仿真結(jié)果如圖7所示。從圖7可以看出，在供液量為150 mL/min的情況下，4個熱源芯片的殼溫分別為67.3°C，69.9°C，70°C，67.4°C，平均溫度為68.7°C。對于單個主動分流單元，4個熱源芯片的溫差小于±2°C，溫度分布均勻性較好。

圖7 單個主動分配單元熱仿真結(jié)果

通過數(shù)值仿真對被動分流單元的分流流道和主動分流單元的散熱流道進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，實現(xiàn)了整個系統(tǒng)內(nèi)部較好的流阻匹配設(shè)計和散熱能力設(shè)計。

4 實驗測試結(jié)果

根據(jù)仿真設(shè)計結(jié)果，設(shè)計了一套熱管理樣機，在16元功放熱耗一致和不一致的情況下，實測樣機各個芯片的溫度，驗證熱管理系統(tǒng)的可靠性。

4.1 16元功放熱耗一致

所有模擬功放芯片的熱耗加電25 W，對該熱管理系統(tǒng)進(jìn)行溫度測試。16元模擬功放芯片的表面溫度測試結(jié)果如圖8所示。

圖8 功放芯片熱耗一致時，芯片表面溫度的分布

由測試結(jié)果可知，當(dāng)16元模擬功放芯片的熱耗一致時，16元模擬功放芯片的最低殼溫為69.5°C，最高殼溫為75.1°C，平均溫度為72°C，具有良好的均溫性。實測的平均溫度比仿真結(jié)果（圖7）的平均溫度高3.3°C。

4.2 部分模擬功放芯片熱耗降低50%

1個主動分流單元的4個熱耗降低50%，其余主動分流單元的功放芯片熱耗不變（25 W），測得的模擬功放芯片表面溫度如圖9所示。

圖9 功放芯片熱耗不一致時，芯片表面溫度的分布

從圖9可以看出，由于其中一個主動分流單元的4個模擬功放芯片熱耗降低了50%，16元陣列的模擬功放芯片的最低殼溫為58°C，最高殼溫為66.4°C，平均殼溫為63.3°C，最大殼溫與最小殼的溫差小于10°C，具有良好的均溫性。

降低部分模擬功放芯片的功率后，通過系統(tǒng)主動調(diào)節(jié)冷卻液的分配，維持了整個陣列芯片良好的均溫性，保證了良好的電性能。

5 結(jié)束語

本文提出了一種主動分流熱管理系統(tǒng)樣機的實施方案，應(yīng)用于功放陣列散熱單元。以16元T/R功放組件為例，進(jìn)行了系統(tǒng)方案設(shè)計、仿真設(shè)計和試驗測試研究。試驗測試結(jié)果表明，系統(tǒng)中16元陣列功放芯片具有良好的均溫性，保證了陣列的電性能與可靠性，最大程度地利用了冷卻資源。本文為實現(xiàn)大型陣列的均溫性、小型化和集成化提供了初步的基礎(chǔ)研究。

然而，將微型流體控制機構(gòu)（微閥）集成在系統(tǒng)中，對冷卻資源進(jìn)行按需分配的做法，在實際工程中實施起來有較大的難度。壓力、流量相互耦合，控制對象是實時變化的、不確定的、非線性的，每個參數(shù)的調(diào)整都會引起其他參數(shù)的變化。這就要求流體控制系統(tǒng)在非線性變工況下實現(xiàn)較高靈敏度和精度的冷卻資源的主動調(diào)配。后期將針對機電集成最優(yōu)化模型展開，使系統(tǒng)最小化、輕量化，流阻合理化，能耗最低化，同時還具有可擴展性。