陳怡心 蘇力爭 王克軍 劉繼鵬 祝起凡

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

隨著有源相控陣雷達“高度集成化”和“模塊化”新設(shè)計理念的應用以及數(shù)字發(fā)射/接收組件的進一步發(fā)展，尤其是近幾年大功率微波器件的研制成功對微波組件殼體的小尺寸和散熱能力要求越趨苛刻，熱問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]，采用高效熱擴展技術(shù)是解決雷達散熱問題的關(guān)鍵技術(shù)途徑[2-3]，而現(xiàn)有熱擴展技術(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展材料研究。

1 常用導熱材料性能分析

功率器件在工作時有相當一部分電能轉(zhuǎn)化為熱能使自身的溫度升高，為保障器件安全可靠運行，通常為器件采用強制風冷、水冷、熱管等散熱措施。這些散熱措施有效緩解功率器件過熱問題的同時，無疑也加大了設(shè)備的體積、質(zhì)量、制造難度和成本[4]。而采用復合高導熱材料來散熱，可有效解決這些問題。高導熱材料是熱導率在 200 W/(m·K)以上的材料，目前，常用典型的導熱材料有銅、鋁和石墨等[5]，其主要性能及指標如表1所示。

表1 常用導熱材料性能及指標

退火態(tài)熱解石墨(Annealed Pyrolytic Graphite，簡稱：APG)是熱解石墨(Pyrolytic Graphite，簡稱：PG)在一定的預應力下經(jīng)高溫熱處理得到的一種微觀結(jié)構(gòu)接近石墨晶體的各向異性超高導熱材料，石墨片層方向(a向)的熱導率達到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)的熱導率約為10～20W/(m·K)。APG是比較理想的適合于工程應用的高導熱材料，當前，國內(nèi)APG材料在散熱方面的技術(shù)研究尚處于起步階段，缺乏準確的熱導率等相關(guān)參數(shù)，為此，本文采用試驗與仿真相結(jié)合的方式，對APG材料的導熱性及在雷達信處板中的散熱效果進行了定量分析。

2 APG材料導熱性能分析

2.1 導熱性能試驗

2.1.1 試驗平臺搭建

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

2.1.2 試驗內(nèi)容介紹

先將加熱電阻安裝于試驗樣件中心部位，并在試驗樣件上布置11個熱電偶測試點，如圖1所示，圖1(a)展示了正面的測試點104、105、107、112、113、114點，圖1(b)展示了反面的測試點103、108、109、110、111點，使用穩(wěn)壓電源對功率電阻通電加熱，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 試驗測試點分布示意圖和試驗儀器實物圖

2.2 實驗結(jié)果與分析

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

圖2 三種基板溫度變化曲線圖和溫度對比圖

從圖2中可以看出，在環(huán)境溫度為24℃時的自然散熱條件下，熱耗功率為25W達到穩(wěn)態(tài)時，APG板上各測試點的溫差比銅板和鋁合金板的各測試點的溫差要小很多，區(qū)別十分明顯，表明APG板的均溫性很好。而且，在達到穩(wěn)態(tài)后，APG板上測試點的最高溫度為66.9℃，銅板上測試點的最高溫度為85.5℃，鋁合金板上測試點的最高溫度為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

本文在試驗之后，通過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，并通過與試驗數(shù)據(jù)進行對比，驗證仿真模型的準確性。首先利用Flotherm軟件建立仿真幾何模型，該仿真模型與實驗模型一致，從上至下依次為功率器件、導熱硅脂、試驗基板(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)格劃分工具對建立的仿真幾何模型進行網(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為各向異性的導熱材料，初步設(shè)定APG的熱導率參數(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)果與試驗數(shù)據(jù)進行對比，通過迭代修改APG的熱導率參數(shù)，直到仿真結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)基本一致為止。

2.3.3 仿真結(jié)果分析

通過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)，對數(shù)據(jù)進行后處理，并將試驗得到的穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)與仿真得到的穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)進行對比后，得到圖3曲線。

圖3 試驗與仿真對比圖和溫度云圖

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)與實驗數(shù)據(jù)基本吻合，測試點107和113由于膠帶遇熱松動等試驗誤差與仿真結(jié)果有所差異，但都在誤差可控范圍內(nèi)，通過仿真結(jié)果可知，當APG導熱系數(shù)設(shè)定為X-Y向1700W/(m·K)，厚度Z方向為10W/(m·K)時，仿真結(jié)果與試驗結(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在雷達模塊中的應用研究

在自然散熱電子設(shè)備中，鋁合金是當前常用的散熱材料。研究表明，金屬和石墨材料組合的熱擴散能力可充分發(fā)揮石墨優(yōu)良的導熱性能[6]。本文通過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個熱源，每個熱源上功耗如圖所示。鋁合金信處冷板仿真模型的正面無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

對兩種散熱結(jié)構(gòu)的計算仿真模型進行網(wǎng)格劃分，并且在各熱源中心位置及其板對面的相對位置各設(shè)置一個溫度監(jiān)測點，共計14個溫度監(jiān)測點，標記為101～114，兩種結(jié)構(gòu)的監(jiān)測點布局完全相同。

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)件的溫度時間曲線圖。

圖5 信處板溫度時間曲線和穩(wěn)態(tài)溫度對比圖及溫度云圖

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增強換熱之后，信處板表面溫度下降近4℃，同時對比各監(jiān)控點的溫度差值可知，鋁合金信處板散熱結(jié)構(gòu)溫度最高測試點(測點114)與溫度最低測試點(測點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對結(jié)構(gòu)導熱具有很好的改善作用，其均溫性更好。

4 結(jié)束語

本文采用試驗測試和仿真分析相結(jié)合的方法對APG材料的高導熱性能進行了驗證研究，同時還對APG/鋁合金信處板一體化構(gòu)件進行了仿真分析。通過仿真分析表明，在導熱結(jié)構(gòu)表面增加APG材料后，由于APG材料的超高導熱率，可使自然散熱情況下鋁合金信處板的導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，為解決雷達存在的散熱問題提供了一種新思路和新途徑。