某型功放組件相變散熱技術研究

黃鵬 徐冉 魏信陽 李濤

（中國航天科工集團8511 研究所 江蘇省南京市 210007）

1 前言

功放組件是干擾裝置的重要組成部分，隨著干擾裝置對發射機輸出功率要求日益提高，受空間尺寸及重量要求限制，干擾裝置中的功放組件小型化設計技術難題也是日益突顯。隨著系統級封閉集成度和功率器件的功耗不斷提高[1-5]，電子產品集成化、小型化的需求愈發迫切，功放組件的小型化設計及功率的提高直接導至模塊熱流密度增大，功放組件的散熱問題也更加嚴峻，設備的輕量化指標成為瞬態散熱的直接影響因素。為了實現產品的輕量化指標，有效解決散熱問題，在結構設計中采用相變散熱器，即在金屬殼體內部掏腔，填充密度小且熱焓值高的相變材料作為熱沉。相變材料的主要材質是石蠟，石蠟的重量輕，密度是鋁合金的1/3，是功放產品中較常使用的儲熱材料，它可在一定溫度下發生相變，且相變過程中在溫度保持不變的情況下吸收大量的熱量[6-7]。

本文依據工程實際，以某型固態功放組件為分析對象開展相變散熱技術研究。結合仿真分析，設計了一種簡易、輕巧的功放相變儲熱散熱殼體，在保證功放組件在高溫工作環境下的輸出功率指標和工作時間指標的同時，滿足產品結構強度和重量指標要求。

2 相變材料的選擇

相變材料種繁多，不同配比及不同相變溫度區間達到的散熱效果不同。相變散熱殼體的散熱性能與相變材料特性有密切的關系，研究和尋找一種具有合適的相變溫度區間、高儲熱密度、性能良好的相變材料尤其關鍵。

功放組件由末級模塊、驅動模塊、控制模塊及電源模塊組成，總功耗為600W，總的熱耗為480W，功放組件主體結構外形為φ164×62.5mm，要求相變散熱器和末級功放模塊重量不超過1.25kg，在60℃高溫環境條件下滿功率工作時間不低于10 分鐘。受限于重量指標，必須最大限度的將功放組件主體結構件殼體內腔輕量化，同時保證殼體的結構強度，在其內部填充合適的相變材料。由于功放組件存儲溫度區域為-50℃~+70℃，因此需要選擇相變融化區間大于70℃的相變材料。受限于重量的硬性指標和內部腔體的不規則性等因素，采用液態灌裝方式進行相變材料的填充，選用的液態相變材料代號為ZFPCM-O70/160，為純液態100%相變材料，由O68 蠟與O72 蠟1:1 配比制成。該種相變材料的相變溫度區間為73~78℃，相變焓值為220kJ/kg，導熱系數0.47W/m?K，密度為0.85×103kg/m3；常溫固態時為乳白色，液化后為透明色。

圖1：芯片熱耗與溫度的曲線關系圖

圖2：相變散熱器殼體結構圖

圖3：相變散熱器殼體灌裝口

圖4：功放組件網格模型圖

3 相變材料與功率芯片的溫度特性分析

功率芯片在溫度升高到一定程度時，芯片的輸出功率將會下降，輸出功率下降后，熱耗也會隨之減小，因此，芯片的熱耗隨著充滿相變材料的散熱器殼體溫度之間的關系曲線對相變散熱器的設計至關重要，依據功率-溫度變化曲線可減小仿真誤差，同時可避免功放組件在重量方面的冗余設計。

表1：功放組件重量分布

圖5：截面溫度分布（單位為K）

圖6：截面相變材料液相對比圖

將產品用的4 個芯片安裝于一個末級組件殼體中，并將末級組件安裝于一個簡易鋁合金殼體上，對芯片進行供電后，用溫度測試儀器對芯片的殼溫進行測量，記錄不同溫度下芯片對應的輸出功率，并且及時記錄對應時間段芯片的輸入電流和電壓。根據輸入輸出功率數值，計算得出芯片在該溫度條件下的實時熱耗，通過數值擬合得出功率芯片熱耗與溫度變化曲線如圖1 所示。

根據圖1 可知，芯片總熱耗與溫升近似成反比關系，總斜率為-1.41467。

4 相變散熱器設計

4.1 相變散熱器結構設計

功放組件共有4 個末級模塊，每個末級模塊內部各有4 只功率芯片，單只芯片最大功率為35W。功放組件重量分布如表1 所示。

圖7：某一芯片底部溫度溫升歷程曲線圖

圖8：高溫工作試驗測試

基于功放組件結構重量的要求，相變殼體內需要盡可能多充相變材料，為了保證在功放組件在規定工作時間內正常工作，同時避免冗余設計，相變散熱器殼體內部的相變材料應盡可能多的吸熱相變以達到最大儲熱能力。又由于液態相變材料的導熱系數較低，為使相變材料充分吸熱，需要在熱源導熱基板上合理設計散熱齒，為了控制組件重量，經迭代仿真分析，最終設計相變散熱殼體熱源導熱基板上散熱齒齒厚為1.7mm，長度35mm，齒間距為8.3mm，其余部分盡可能的進行減重設計，局部設計加強筋，以保證相變散熱殼體的結構強度，具體詳細設計如圖2 所示。

4.2 相變材料灌封設計

由于該相變材料相變后為液態介質，存在漏液風險，因此相變散熱器的殼體必須焊接密封，考慮殼體結構的復雜性及灌封的可靠性等因素，相變散熱器的殼體加工宜采用電子束焊接方式進行封裝。相變散熱器殼體焊接完成后，填充相變材料時，需將殼體和相變材料一起放置于一個恒溫80℃的保溫箱內，待相變材料吸熱融化成液態后，取出相變散熱器殼體及相變材料，利用殼體上預留的兩個M4 規格的螺紋孔罐裝相變材料，一個孔插入導液管導液，一個孔排氣，直到排液孔溢出液態相變材料后，表明散熱器殼體腔內已灌滿相變材料，相變散熱器殼體灌裝口如圖3 所示。灌裝完成后，放在自然環境下進行冷卻，因相變材料冷卻至常溫狀態后變為固態，體積略微變小，因此需將灌封完的相變散熱器內部的相變材料與大氣相通條件下進行冷卻，待冷卻徹底后再進行封腔處理，此處采用2 個M4 的沉頭螺釘涂覆螺紋膠后擰緊，并在螺釘上表面均勻抹一層硅橡膠進行密封。

5 仿真分析

為驗證相變散熱器殼體結構設計的合理性及功放組件的散熱性能，需對功放組件進行熱仿真分析。將簡化后的功放組件三維模型導入到ANSYS Workbench 仿真分析軟件，其仿真網格模型如圖4所示。

仿真分析時，忽略其余發熱量較小的驅動模塊及電源模塊，按照結構設計裝位置和實際工況設置仿真邊界條件，設置初始溫度為60℃，瞬態仿真時間為10 分鐘，將實驗測試得到功率芯片功耗與相變散熱器的溫度變化曲線輸入到功率芯片仿真條件設置后進行仿真計算。

收斂后的計算結果如圖5 所示，截面最高溫度為429K（155.85℃），即芯片殼溫為155.85℃，末級模塊殼體溫度為398K（124.85℃），相變散熱器殼體溫度為363K（89.85℃）；圖6 為工作10 分鐘后相變材料的融化吸熱情況，紅色區域為相變材料已融化部分，藍色區域為未完全融化部分，從圖中可以看出，相變散熱器中80%的相變材料均已完全融化，散熱齒附件的相變材料融化最為充分，在散熱齒沒有接觸的部分，相變材料仍有少量未融化。受重量限制，不再進行優化處理，相變散熱器設計滿足功放組件工作散熱需求。

圖7 是某一芯片的在10 分鐘工作歷程內的溫度變化曲線，從圖中可以看出，前300 秒溫度斜率比較低，表明相變材料在融化吸熱，后300 秒斜率變大，相變材料吸熱達到臨界值。

6 試驗測試

為驗證仿真設計的正確性，對功放組件進行實況工作測試。將待試功放組件放入60℃的恒溫箱內保溫，利用手持式熱電偶進行溫度測試，將熱電偶的溫度傳感器分別貼在功放組件的末級模塊外殼和相變散熱器外殼上，傳感器1 測試末級外殼體的溫度，傳感器4 測試相變散熱器殼體溫度，將功放組件通電工作10 分鐘，測試結果如圖8 所示。

根據測試結果可知，功放組件工作10 分鐘后末級組件外殼最高溫度106.6℃，相變散熱器外殼溫度為76.2℃。結合相變材料相變溫度區間值及實測末級組件殼體溫度和相變散熱器外殼溫度數值分析可知，相變散熱器殼體內靠近邊緣處的相變材料處于局部不完全相變狀態，位于熱源中心附近的相變材料已全部發生相變，與仿真分析結果一致。

7 結束語

通過實驗測試得到了較準確的芯片溫度特性曲線，設計了一種導熱效率高、重量輕、結構強度好的相變散熱器殼體，功放組件在60℃環境溫度條件下工作10 分鐘后，末級組件外殼仿真最高溫度為124.85℃，實驗測試最高溫度106.6℃，相變散熱器殼體仿真最溫度為89.85℃，實驗測試溫度為76.2℃，通過對比熱仿真分析和實驗測試數據可知，仿真分析數據與實驗測試數據接近，相變材料的實際相變狀態與仿真分析結果吻合，驗證了仿真設計的可靠性。該仿真設計方法有效解決了功放組件的瞬態大功率散熱和重量設計難題，對工程實踐具有重要的指導意義。