基于小通道形式的組件高效散熱方法

徐太棟

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所，南京 211153)

0　引　言

隨著相控陣?yán)走_(dá)GaN類高熱流密度芯片的大范圍應(yīng)用，組件芯片熱流密度普遍達(dá)到了10 W/cm2以上，而傳統(tǒng)單通道冷板的散熱能力一般在2～10 W/cm2，難以適應(yīng)高熱流密度組件散熱要求。因此，研究新型冷板形式對高熱流密度組件的推廣應(yīng)用成為了技術(shù)關(guān)鍵點。[1]

此外，傳統(tǒng)單通道冷板多用氮氣保護(hù)釬焊加工成型，在長期使用過程中容易造成釬料腐蝕、冷卻液泄露燒毀設(shè)備等安全問題。所以，研究采用無釬料焊接技術(shù)進(jìn)行冷板加工成型對提高雷達(dá)電子設(shè)備安全性能具有重要意義。

1　T/R組件散熱冷板現(xiàn)狀

經(jīng)過國內(nèi)外調(diào)查研究，以單相流回路冷卻方式解決10～70 W/cm2熱流密度散熱問題的冷板形式主要包括熱管冷板、微通道冷板、熱電制冷冷板和射流沖擊冷板等。上述冷板在應(yīng)用中主要存在以下問題：

(1) 熱管冷板均溫性較好，但生產(chǎn)加工較復(fù)雜，且熱管僅能夠增強(qiáng)冷板的熱傳導(dǎo)，對制約冷板熱阻最明顯的對流換熱熱阻并沒有明顯改善；

(2) 微通道冷板對機(jī)械加工與焊接的要求較高，而且存在壓損較大的缺點，對冷卻液品質(zhì)要求較高，容易發(fā)生堵塞；

(3) 熱電制冷冷板的總制冷量有限，受限于小型化與輕量化要求，熱電制冷技術(shù)難以適應(yīng)總熱量高達(dá)數(shù)百瓦乃至上千瓦的制冷需求；

(4) 射流沖擊冷板能夠解決1 000 W/cm2級的超高熱流密度散熱問題，但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，可靠性低，用來解決10～70 W/cm2量級散熱問題不經(jīng)濟(jì)。

上述冷板中，結(jié)構(gòu)形式最簡單的為微通道冷板。微通道冷板為單一材料加工而成，冷卻液在微通道中流動時不再遵守宏觀流體力學(xué)的規(guī)律(尤其是無滑移壁面條件)，屬于介觀流體動力學(xué)范疇。在微通道中，摩擦系數(shù)增大[2-3]，層流向湍流過渡的臨界雷諾數(shù)減小，且臨界雷諾數(shù)對實驗條件極為敏感。[4]對于長寬比較大的微通道冷板，目前公認(rèn)能夠獲得100～400 W/cm2級的散熱能力。[5]

微通道冷板能夠獲得較高的散熱能力是因為其內(nèi)部流動狀態(tài)能夠在較小雷諾數(shù)時過渡到湍流、邊界層熱阻被破壞、散熱面積大等原因。但是，細(xì)小的通道對整個冷卻系統(tǒng)的冷卻介質(zhì)提出了較高的潔凈度要求，壓力損失大，加工、焊接0.6 mm以下的微通道槽成本較高，用來解決10～70 W/cm2量級散熱問題同樣存在不經(jīng)濟(jì)的問題。

為解決10～70 W/cm2量級散熱問題、規(guī)避微通道冷板缺點，本文提出了小通道冷板的概念：流道由眾多的翅片與小通道組成。典型的結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

小通道冷板具有以下特點：

(1) 冷板流道為2 mm左右，冷卻液流態(tài)遵守宏觀流體動力學(xué)規(guī)律，易于采用通用流體力學(xué)軟件進(jìn)行流阻與傳熱分析、輔助冷板設(shè)計；

(2) 2 mm寬的流道也易于機(jī)械加工，普通數(shù)控機(jī)床即可完成加工，加工成本低；

(3) 小通道冷板的焊接成型采用擴(kuò)散焊接技術(shù)，焊接質(zhì)量好，且焊接過程中不使用釬料，避免了傳統(tǒng)單通道冷板使用過程中冷卻液腐蝕釬料造成漏液、短路燒毀設(shè)備的風(fēng)險；

(4) 流道由眾多的翅片組成，翅片極大增大了對流換熱面積，提高了冷卻液的利用效率，與傳統(tǒng)的單通道冷板相比，小通道冷板一般能夠?qū)α鲹Q熱面積提高到10倍以上；

(5) 翅片增加了通道內(nèi)的擾流，有效地破壞邊界層熱阻，提高對流換熱系數(shù)。

2　冷板熱阻網(wǎng)絡(luò)模型

功放(GaN芯片)熱量經(jīng)過其內(nèi)熱阻傳導(dǎo)到基板上，又經(jīng)過基板熱阻傳導(dǎo)到冷板表面上，在冷板內(nèi)經(jīng)過冷板傳導(dǎo)熱阻傳導(dǎo)到水道壁面，再經(jīng)過水道對流換熱熱阻傳導(dǎo)到水道內(nèi)的冷卻介質(zhì)中，最終由冷卻介質(zhì)耗散至外界環(huán)境大氣熱沉。這是芯片熱量耗散的主要途徑。實際芯片的熱量耗散是通過圖2所示熱阻網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)的。

圖2中所示的3條熱流通路中：

(1) 與冷卻液強(qiáng)迫對流換熱相比，熱輻射向環(huán)境耗散的熱量很少，并不占主導(dǎo)部分，因此可以認(rèn)為功放、蓋板表面的熱輻射效應(yīng)很弱，在熱設(shè)計時不予考慮，熱阻網(wǎng)絡(luò)中的輻射熱阻視為無限大、熱輻射支路視為斷路。

(2) T/R組件蓋板與冷板夾層內(nèi)的空氣Gr數(shù)很小，自然對流換熱效應(yīng)很弱，對流換熱效果接近空氣的熱傳導(dǎo)效果，可以視為T/R內(nèi)部空氣以熱傳導(dǎo)為主。由于空氣的熱傳導(dǎo)系數(shù)(0.0267 W/mK)非常低，因此蓋板與冷板夾層內(nèi)的空氣是較好的隔熱材料，即認(rèn)為圖2熱阻網(wǎng)絡(luò)中功放表面與蓋板內(nèi)表面對流換熱熱阻無限大、空氣對流換熱支路視為斷路。

(3) 冷卻液與冷板的強(qiáng)迫對流熱阻較小，因此該條支路可以視為通路，冷板的熱設(shè)計優(yōu)化也主要從該支路入手。

小通道的截面特征尺寸一般都滿足l≥0.002 m，則根據(jù)式(1)：

(1)

式中L為冷卻介質(zhì)平均分子自由程。對于常見介質(zhì)，L多在10-9～10-10m量級。對于小通道流道，Kn數(shù)顯然滿足Kn>1，可以使用無滑移壁面條件[6]。

單通道與小通道冷板流道內(nèi)的冷卻液流態(tài)一般處于層流入口段狀態(tài)，需要考慮層流入口段長度效應(yīng)：

x=0.05PrReD

(2)

式中，Pr為冷卻液普朗特數(shù)，Re為流道內(nèi)冷卻液流動的雷諾數(shù)，D為流道特征尺寸，x為層流入口效應(yīng)段長度。

層流入口段的層流邊界層較稀薄，其邊界層熱阻較充分發(fā)展層流段的邊界層熱阻明顯偏小，因此在進(jìn)行理論計算時不能直接使用充分發(fā)展的層流換熱計算公式，而應(yīng)使用層流入口段的對流換熱計算公式[7]：

(3)

式中，l為水道長度，ηf為流體平均溫度下的動力粘度，ηw為水道壁面溫度下的冷卻液動力粘度，Nu為表征對流換熱的無量綱數(shù)。得到Nu數(shù)后即可計算出水道內(nèi)的對流換熱系數(shù)等。由于單通道與小通道冷板均屬于宏觀流體力學(xué)范疇，因此以上計算方法適用于這兩種結(jié)構(gòu)形式的冷板。對于本文研制的某T/R組件，當(dāng)流道形式為單通道時，根據(jù)式(2)、(3)其內(nèi)部對流換熱系數(shù)為

(4)

該冷板水道橫截面設(shè)計為4×7 mm，結(jié)合水道長度可以計算得到其總對流換熱面積為0.01 m2，則冷板內(nèi)壁對流換熱熱阻為

(5)

由此可知，當(dāng)功放總熱量為320 W時，水道內(nèi)壁對流換熱溫升應(yīng)為32.9 ℃。功放與冷板間的接觸熱阻為6.4 ℃，冷板的傳導(dǎo)熱阻為5.2 ℃，則從入口冷卻介質(zhì)到功放的溫升應(yīng)為44.5 ℃。

3　數(shù)值仿真與試驗驗證

為了將理論計算、數(shù)值仿真與試驗驗證三者結(jié)合，本文對某組件進(jìn)行了數(shù)值模擬與試驗驗證(入口冷卻介質(zhì)取30 ℃，流量1.6 L/min，接觸熱阻通過查表計算后添加)。數(shù)值仿真基于Fluent進(jìn)行，采用結(jié)構(gòu)與非結(jié)構(gòu)混合網(wǎng)格，質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程的離散采用二階迎風(fēng)格式。

如圖3所示，熱源安裝法蘭處的最高溫度為76.4 ℃，相對于入口冷卻介質(zhì)溫升為46.4 ℃，與理論計算結(jié)果44.5 ℃相差4.1%。

結(jié)合理論計算與數(shù)值仿真，還對該單通道T/R組件進(jìn)行了散熱試驗(供液流量1.6 L/min，供液溫度26 ℃)，采用紅外溫度熱像儀測得了功放表面的溫度分布云圖如圖4所示。試驗表明，單通道組件熱源溫升(相對于入口冷卻介質(zhì)溫度)為46.1 ℃。

理論分析、數(shù)值仿真與試驗三者說明單通道冷板的熱阻溫升為46.1 ℃左右，其中對流換熱熱阻導(dǎo)致的溫升達(dá)到了33 ℃。對流換熱熱阻是造成單通道冷板溫升居高不下的主要原因。

4　小通道冷板設(shè)計與驗證

為了解決單通道冷板散熱能力不足的問題，本文針對上述組件設(shè)計、制造了小通道冷板。兩種冷板外形、材料、熱源均相同，僅內(nèi)部流道結(jié)構(gòu)形式不同。圖5所示為小通道冷板組件，其內(nèi)部水道結(jié)構(gòu)如圖6所示。

該組件內(nèi)部水道分為多條分支，每條分支內(nèi)部均有翅片將水道分隔成為小通道，在并行小通道較多處采用變截面法實現(xiàn)通道間的流量平均。小通道冷板在焊接前加工出內(nèi)部水道，然后采用擴(kuò)散焊特種焊接工藝完成焊接。

本文對于供液溫度為30 ℃的情況進(jìn)行了熱仿真，仿真結(jié)果如圖7所示。溫度最高的芯片相對于冷卻介質(zhì)溫升為34.5 ℃。

試驗測量了功放的溫度，如表1所示(正常水流量1.6 L/min、供液壓力0.07 Mpa)。

表1　功放溫度試驗結(jié)果(℃)

最高溫升仿真值為34.5 ℃，試驗值為33.4 ℃。仿真與試驗說明：

(1) 小通道冷板相對于單通道冷板，將熱源芯片的溫升從46.1 ℃降低到了33.4 ℃，降低了熱源溫升12.7 ℃，明顯改善了組件散熱效果；

(2) 基于宏觀流體力學(xué)與傳熱學(xué)的CFD仿真方法依然適用于小通道冷板的熱仿真計算。

在后續(xù)的工程實踐中，基于本文小通道冷板設(shè)計方法及改進(jìn)技術(shù)，成功解決了熱流密度為30 W/cm2的T/R組件散熱問題，以及熱流密度為70 W/cm2的數(shù)字子陣單元散熱問題。上述兩個工程實例已進(jìn)行熱設(shè)計性能試驗，組件工作穩(wěn)定。試驗結(jié)果表明小通道冷板能夠有效解決10～70 W/cm2的散熱問題，冷板散熱性能穩(wěn)定可靠。

5　結(jié)　論

本文通過研究、設(shè)計小通道形式的新型冷板得到了以下結(jié)論：

(1) 目前已有試驗表明，小通道冷板能夠有效解決10～70 W/cm2的組件散熱問題(傳統(tǒng)單通道冷板散熱能力為2～10 W/cm2)，顯著提高了冷板散熱性能，能夠滿足相控陣?yán)走_(dá)GaN類功放的散熱需求。

(2) 小通道冷板流道內(nèi)冷卻介質(zhì)流態(tài)服從宏觀流體力學(xué)與傳熱學(xué)規(guī)律，不需要使用介觀或微觀流體力學(xué)(滑移壁面條件[8])進(jìn)行分析計算。當(dāng)通道尺寸、流態(tài)滿足克努森數(shù)條件時，無滑移壁面條件是完全適用于小通道組件仿真計算的。

(3) 相對于微通道冷板，小通道冷板具有壓力損失小、不易堵塞的優(yōu)點，在熱流密度為10 W/cm2量級時小通道冷板相對于微通道冷板更加經(jīng)濟(jì)適用。

6　結(jié)束語

本文提高冷板散熱能力主要是從冷板對流換熱這條熱流通路入手的，從風(fēng)冷板到傳統(tǒng)單通道液冷板提高的是對流換熱系數(shù)，從單通道冷板到小通道冷板則是通過增加對流換熱面積、增強(qiáng)冷板內(nèi)擾動、破壞邊界層熱阻實現(xiàn)的。在后續(xù)的研究中，將著眼于降低冷板傳導(dǎo)熱阻與界面間接觸熱阻、提高小通道的翅片利用效率，以及研究小通道的截面形式[9-10]與孔隙率對散熱性能影響等方面[11]。