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        某功放模塊散熱冷板設(shè)計(jì)與仿真分析

        2022-11-27 10:36:52王成非范鵬杰
        機(jī)電工程技術(shù) 2022年10期
        關(guān)鍵詞:熱耗冷板液冷

        田 野,王成非,范鵬杰,方 堃

        (中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二三研究所,江蘇揚(yáng)州 225001)

        0 引言

        功率放大器(簡(jiǎn)稱功放)是雷達(dá)和電子干擾設(shè)備中的關(guān)鍵器件,其工作狀態(tài)的好壞直接影響發(fā)射機(jī)可靠性。由于功率放大器,其體積小、發(fā)熱量大、熱流密度高,僅靠封裝外殼散熱無法滿足散熱要求,所以需選擇合理的散熱和冷卻方法,設(shè)計(jì)有效的散熱系統(tǒng),把電子元器件的溫度控制在規(guī)定值以下,在熱源至外部環(huán)境之間提供一條低熱阻通道,以確保熱量順利地交換出去[1]。

        賀獻(xiàn)武等[2]提出了一種液冷功放模塊的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案,對(duì)比不同界面材料下功放殼溫情況,并通過熱仿真和測(cè)試驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的有效性,其中功放芯片熱量90 W,尺寸6 mm×20 mm,熱流密度較小,常規(guī)的冷板設(shè)計(jì)就能解決該散熱問題。候滿宏等[3]提出一種小型化車載功放液冷機(jī)箱,其采用冷板與功放模塊一體化加工,并對(duì)串聯(lián)、并聯(lián)流道對(duì)測(cè)試溫度的影響進(jìn)行分析。李兵強(qiáng)等[4]對(duì)一種熱耗值為250 W功放模塊的散熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),提出一種強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱解決方案,通過試驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證了仿真數(shù)據(jù)和測(cè)試數(shù)據(jù)的關(guān)系,誤差值小于5%。金之鈺等[5]對(duì)輻射狀流道、交錯(cuò)裝流道、傾斜擾流柱設(shè)計(jì)等多種不同微流道設(shè)計(jì)方式對(duì)冷板散熱效果、冷板流阻的影響分析。本文針對(duì)某功放模塊的熱設(shè)計(jì)需求,設(shè)計(jì)一種液冷板,并結(jié)合熱仿真分析進(jìn)行冷板結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和整體方案優(yōu)化設(shè)計(jì),將功放模塊中GaN芯片節(jié)溫控制在190℃左右,滿足功放模塊內(nèi)部器件的熱設(shè)計(jì)使用需求,對(duì)后續(xù)高功率GaN芯片的熱設(shè)計(jì)提供參考借鑒。

        1 功放模塊熱設(shè)計(jì)

        1.1 功放模塊概述

        該模塊為某艦載設(shè)備中使用的功率放大模塊,簡(jiǎn)稱功放模塊,是該型設(shè)備的重要功能部件。如圖1所示,該模塊的外形尺 寸 為240 mm×140 mm×22 mm,模塊內(nèi)部安裝有合成模塊、4個(gè)放大模塊、功分模塊、驅(qū)動(dòng)模塊等,發(fā)熱量較大的是放大模塊和驅(qū)動(dòng)模塊中的芯片,其中每個(gè)放大模塊中有2片GaN功放主芯片,驅(qū)動(dòng)模塊中有1片驅(qū)動(dòng)模塊芯片。

        圖1 功放模塊示意圖

        功放主芯片尺寸為5.2 mm×3.5 mm,滿功率使用時(shí)發(fā)熱量約為120 W,驅(qū)動(dòng)模塊芯片尺寸為4.1 mm×3 mm,滿功率使用時(shí)發(fā)熱量約為50 W。如圖2所示,芯片發(fā)熱功率高,面積小,從而導(dǎo)致熱流密度特別高達(dá)到659 W/cm2,因此模塊散熱設(shè)計(jì)直接影響功放模塊的使用效果。

        圖2 功放模塊散熱區(qū)域示意圖

        1.2 冷卻方式選擇

        常用的冷卻方式有自然風(fēng)冷、強(qiáng)迫風(fēng)冷和強(qiáng)迫液冷。一般熱流密度小于或等于0.04 W/cm2的電子元器件可選擇自然風(fēng)冷;熱流密度在0.04~0.6 W/cm2時(shí),可采用強(qiáng)迫風(fēng)冷;熱流密度大于或等于0.6 W/cm2時(shí),須采用強(qiáng)迫液體冷卻。該功放管表面的熱流密度達(dá)659 W/cm2,故須采用強(qiáng)迫液冷的冷卻方式[6]。如圖3所示。

        圖3 常見冷卻方式的熱流密度與溫升

        按照是否與電子元器件接觸液分為直接冷卻和間接冷卻;按照傳熱流體的不同,可分為水冷、油冷,其他有機(jī)液體冷卻等。其中水的比熱容較大,沒有特殊要求時(shí)多采用水冷方式,為防止對(duì)管道的腐蝕、結(jié)垢,可加入緩蝕劑和使用磁化水、去離子水等。在軍用裝備中,考慮到低溫等極端環(huán)境,要使用乙二醇等防凍液作為冷卻工質(zhì)[7],本文中功放模塊使用環(huán)境為艦載條件,根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),需要考慮在-40℃溫度下正常工作,因此選用65#防凍液作為冷卻工質(zhì)。

        功放模塊4個(gè)功放主芯片熱耗一共960 W,1個(gè)驅(qū)動(dòng)模塊芯片熱耗50 W,其他模塊發(fā)熱量約70 W,單個(gè)功放模塊總熱耗約為1 080 W。每塊冷板上放置2個(gè)功放模塊,總熱耗為2 160 W,冷板中間電源部分熱耗約為40 W,每塊冷板熱耗為2 200 W。

        根據(jù)熱量計(jì)算公式Q=Cp×qm×Δt=Cp×(qv×ρ)×Δt[7];因此得到流量計(jì)算公式:

        式中:Q為總熱耗,W;Cp為冷卻流體定壓比熱容,J/kg·℃;Δt為冷卻流體進(jìn)、出口溫差,℃;ρ為冷卻流體密度,kg/m3;S為安全系數(shù)。

        其中冷卻流體選擇65#冷卻液,Cp=3 151 J/kg·℃,ρ=1 076 kg/m3,S=1.1[2]。由式(1)可得:

        如圖4所示,冷板流道采用常規(guī)蛇形流道,流道流經(jīng)功放模塊底部的發(fā)熱區(qū)域。冷板進(jìn)出口水接頭選用STAUBLI CGO 08盲插水接頭,其在流速5 m/s時(shí),最大工作流量為15 L/min,壓 降0.22 bar(1 bar=0.1 MPa),在10 L/min流速時(shí),壓降0.1 bar,滿足該冷板使用要求。

        (1) 在模型填筑之前,對(duì)現(xiàn)場(chǎng)取回的土樣進(jìn)行取樣測(cè)定土體含水率,若含水率偏小,則加水?dāng)嚢柚了韬?;若含水率偏大,則將土體鋪平晾曬,直至滿足試驗(yàn)要求,控制含水率為28%~32%之間。

        圖4 冷板流道示意圖

        1.3 熱仿真計(jì)算

        熱仿真分析與計(jì)算采用電子設(shè)備仿真軟件FloEFD(NX10.0)進(jìn)行計(jì)算分析。冷板冷卻液入口溫度為40℃,環(huán)境溫度設(shè)置為65℃,冷卻液流量8.5 L/min。

        導(dǎo)熱路徑上各材料導(dǎo)熱系數(shù)設(shè)置如下:芯片導(dǎo)熱系數(shù)設(shè)定為201 W/(m·℃),芯片載板材料為Cu/Mo/Cu導(dǎo)熱系數(shù)設(shè)定為300 W/(m·℃),芯片封裝殼體材料為紫銅297 W/(m·℃),功放鋁殼的導(dǎo)熱系數(shù)209 W/(m·℃),液冷板同樣為鋁材。接觸面1、接觸面2為焊接連接,熱阻忽略不計(jì);接觸面3為0.1mm厚銦箔,導(dǎo)熱系數(shù)為80W/(m·℃)[5];界面4為硅脂4 W/(m·℃),熱阻為0.022 in2·℃/W。如圖5所示。

        圖5 功放芯片散熱結(jié)構(gòu)

        1.4 仿真結(jié)果分析

        從圖6仿真計(jì)算結(jié)果可知,冷板表面溫度最高為65℃,功放芯片主要的場(chǎng)效應(yīng)管發(fā)熱區(qū)域最高溫度已經(jīng)達(dá)到了280℃,遠(yuǎn)超過GaN芯片的最高允許節(jié)溫225℃[2],不符合功放模塊的使用條件。分析原因主要有以下幾方面。

        圖6 冷板表面溫度示意圖

        (1)單芯片發(fā)熱量大,功放主芯片尺寸為5.2 mm×3.5 mm,滿功率使用時(shí)發(fā)熱量高達(dá)120 W,常規(guī)的夜冷板設(shè)計(jì)思路難以解決如此高熱量的散熱需求。

        (2)從芯片場(chǎng)效應(yīng)管區(qū)域到冷板的先后經(jīng)過了芯片載板→放大模塊殼體→功放模塊殼體→液冷板,熱源需要經(jīng)過4種中間介質(zhì)和4層接觸面才能到達(dá)冷端將熱量導(dǎo)出。功放模塊的熱量從功放芯片到冷板,經(jīng)歷了多個(gè)界面,形成較大的界面熱阻,會(huì)極大的阻礙熱擴(kuò)散。

        (3)從功放芯片到冷板之間一維傳導(dǎo)熱阻過大。如圖7所示。熱量從芯片到冷板之間傳導(dǎo)過程中會(huì)形成擴(kuò)展熱阻和一維傳導(dǎo)熱阻,增加傳導(dǎo)層的厚度可以增加有效散熱面積,減小擴(kuò)展熱阻,但同時(shí)也增加了一維擴(kuò)展熱阻。因此必然存在一個(gè)合適的熱傳導(dǎo)厚度使得總傳導(dǎo)熱阻最小。從工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)中得知,一般情況下最優(yōu)的熱傳導(dǎo)厚度為2~3 mm[8]。

        圖7 功放芯片表面溫度示意圖

        因此需要對(duì)冷板和功放模塊進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),使芯片表面的節(jié)溫達(dá)到使用需求。

        2 優(yōu)化設(shè)計(jì)

        2.1 功放模塊優(yōu)化

        為了最大限度的維持已有的功放模塊設(shè)計(jì)鏈路關(guān)系,優(yōu)化設(shè)計(jì)主要有以下幾方面。

        (2)將放大模塊的銅殼壁厚減薄,在液冷板上將冷卻液到功放芯片底部的熱傳導(dǎo)距離做到最小。其余模塊如合成模塊安裝時(shí)在液冷板上開槽,由于其發(fā)熱量較小,舍棄底部的流道。

        如圖8所示,優(yōu)化設(shè)計(jì)后CuMoCu載片到液冷板之間熱傳導(dǎo)距離由原先的8.5 mm減小到3.5 mm。

        圖8 優(yōu)化后功放芯片散熱結(jié)構(gòu)

        2.2 冷板優(yōu)化

        改變常規(guī)的蛇形流道,在放大模塊底部增加流道的寬度,并在流道中間增加擾流柱,一方面可以增加冷板散熱面積,另一方面可以增強(qiáng)流體的湍流換熱,從而提高換熱能力,但是增加擾流柱會(huì)使冷板的流阻增加,將在后面的仿真中驗(yàn)證其可行性。如圖9所示。

        圖9 優(yōu)化后冷板流道

        2.3 熱仿真計(jì)算

        優(yōu)化后的熱耗分布與原設(shè)計(jì)模塊一致,仿真參數(shù)設(shè)置一致,冷板冷卻液入口溫度為40℃,環(huán)境溫度設(shè)置為65℃,冷卻液流量8.5 L/min。計(jì)算后的仿真云圖如圖10~12所示。從仿真結(jié)果可知優(yōu)化設(shè)計(jì)后,放大模塊散熱區(qū)域冷板表面溫度最高為72℃,最低65℃,均溫性7℃;功放芯片主要的場(chǎng)效應(yīng)管發(fā)熱區(qū)域最高溫度189.7℃;放大模塊殼體外壁最高溫度60℃。溫度特性滿足功放模塊的使用要求。

        圖10 冷板表面溫度云圖

        圖11 功放芯片表面溫度云圖

        圖12 放大模塊殼體溫度云圖

        流體進(jìn)出口流阻約為2.3 bar,加上兩個(gè)流體連接器流阻約為0.2 bar,計(jì)算得到的冷板總流阻約為2.5 bar,符合冷板流阻設(shè)計(jì)要求。如圖13所示。

        圖13 冷板流阻云圖

        3 試驗(yàn)驗(yàn)證

        為了驗(yàn)證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性,將分兩種方案分別進(jìn)行驗(yàn)證,由于在通液情況下芯片的節(jié)溫難以直接檢測(cè),驗(yàn)證方案1通過測(cè)試放大模塊側(cè)壁的殼溫與仿真結(jié)果的放大模塊殼溫進(jìn)行對(duì)比,間接驗(yàn)證仿真結(jié)果是否準(zhǔn)確;驗(yàn)證方案2將單個(gè)放大模塊放置在紅外熱成像儀的溫度測(cè)試平臺(tái)上,通過外部?jī)x表施加激勵(lì),模擬實(shí)際功耗,觀測(cè)芯片表面發(fā)熱區(qū)域溫度值,測(cè)得準(zhǔn)確的芯片節(jié)溫,并與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

        3.1 放大模塊溫度驗(yàn)證

        將幾種模塊搭建在測(cè)試用冷板上,并在放大模塊側(cè)壁上5處位置粘貼溫度熱電偶,用安捷倫數(shù)據(jù)采集儀測(cè)試電偶點(diǎn)溫度[9]。如圖14所示。由于是單個(gè)模塊測(cè)試,通液流量設(shè)置為4.5 L/min,通 液 溫 度40℃,穩(wěn)定運(yùn)行20 min后進(jìn)行數(shù)據(jù)讀數(shù)。5個(gè)熱電偶中溫度最高讀數(shù)為62℃,與仿真結(jié)果中的60℃溫度值接近,說明該仿真結(jié)果能夠較好地反應(yīng)冷板表面和放大模塊測(cè)壁溫度。放大模塊在穩(wěn)定運(yùn)行2 h后停止驗(yàn)證試驗(yàn),同時(shí)也證明該冷板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化,功放模塊的設(shè)計(jì)優(yōu)化效果明顯,能夠滿足放大模塊散熱使用需求。

        圖14 優(yōu)化后冷板實(shí)物試驗(yàn)

        3.2 功放芯片節(jié)溫驗(yàn)證

        將單個(gè)放大模塊拆開蓋板放置在紅外熱成像儀的溫度測(cè)試平臺(tái)上[10],恒溫臺(tái)溫度調(diào)至40℃,施加外部激勵(lì)將放大模塊滿功率運(yùn)行,單芯片熱耗值接近120 W,觀測(cè)芯片表面節(jié)溫最高約為201℃。如圖15所示。仿真計(jì)算節(jié)溫最高為189.7℃,其中有10℃偏差,分析原因主要為溫度測(cè)試平臺(tái)的恒溫臺(tái)較小總散熱功率有限,適用于小熱耗芯片的測(cè)試,還有恒溫臺(tái)底部為普通蛇形流道,并非專門設(shè)計(jì)由于散熱的專用冷板,熱傳導(dǎo)能力一般。但201℃節(jié)溫值依然滿足GaN芯片225℃節(jié)溫需求。

        圖15 功放芯片節(jié)溫

        4 結(jié)束語

        本文闡述了功放模塊冷板初步設(shè)計(jì)、熱仿真、優(yōu)化設(shè)計(jì)、熱仿真驗(yàn)證、試驗(yàn)驗(yàn)證整個(gè)過程。通過優(yōu)化冷板流道,減小功放芯片到冷板的垂向一維傳導(dǎo)熱阻,減少一次接觸界面,降低界面熱阻來增強(qiáng)冷板散熱能力。仿真結(jié)果顯示,優(yōu)化設(shè)計(jì)后可將功放芯片的節(jié)溫控制在190℃左右。經(jīng)過兩種方式試驗(yàn)測(cè)試,功放芯片節(jié)溫與仿真溫度接近,實(shí)測(cè)節(jié)溫滿足使用條件,說明優(yōu)化設(shè)計(jì)后的方案能夠滿足該功放模塊的熱設(shè)計(jì)要求。

        本文通過對(duì)功放模塊的熱設(shè)計(jì)及優(yōu)化驗(yàn)證,驗(yàn)證了熱流密度為659 W/cm2的GaN芯片熱設(shè)計(jì)可以通過優(yōu)化冷板設(shè)計(jì)、優(yōu)化傳導(dǎo)熱阻和界面熱阻的方式實(shí)現(xiàn),但也已經(jīng)接近GaN芯片的節(jié)溫極限值。為以后高散熱需求GaN芯片熱設(shè)計(jì)提供借鑒參考。

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