高功率組件流道散熱器結構形態(tài)對散熱性能的影響分析

彭 偉 關宏山

（中國電子科技集團公司第三十八研究所，安徽合肥 230088）

0 引言

多頻段、強耗散的功率機柜在現(xiàn)今工程深研市場上愈發(fā)多見，其內(nèi)子部件——功率組件一直被視為總機柜的核心熱源節(jié)點。各型功率組件多呈“磚塊”樣體，高熱錯雜的性能特點，極易干涉機柜系統(tǒng)任務的完成度[1]。

一方面，為滿足“多線程”“高清分辨率”等任務需求，功率組件需要持續(xù)追加或增長深嵌模塊（器件）的電功能指數(shù)，因此其熱損失必然攀高，極限態(tài)時單支功率管體熱耗可達近100 W；另一方面，“輕量化”“集成一體化”等設計需求的突出，造成功率熱源各類節(jié)點擠壓在一定的極致空間包絡內(nèi)，此時，單面積/體積的熱流密度頗高。由此導致了一系列直接工程表象，包括電子器件溫度飆升，故障失效頻發(fā)，終至系統(tǒng)任務失敗，這類功率組件的散熱導冷問題日益嚴峻，已逐步陷入至瓶頸[2-4]。因此，立足于電子集成—功率組件研制的基礎面，對標現(xiàn)行組件散熱冷卻實施規(guī)范，著力深入和優(yōu)化各種各樣的熱控制拓撲研究迫在眉睫。

現(xiàn)有熱管理策略中，工程實現(xiàn)寬泛、導熱效率顯著的技術手段依然為液冷。相較于風冷或是相變冷卻，應用角度上功率組件液冷的工程拓展空間仍巨大。其主干技術思路，即功率組件中內(nèi)嵌強化換熱的微通道（細小肋翅）散熱器（或稱“冷卻板”），將其定性為組件全局熱沉，聯(lián)通該熱沉完成與外環(huán)境的高效熱交互。但由于大熱耗、狹小結構的外圍設計限制，給予微小肋翅散熱器的工程裕度（涵蓋肋翅高度、面積等）極為有限。基于此，強化內(nèi)嵌組件散熱器各項結構形態(tài)因子的研究，優(yōu)化其熱設計路徑十分重要，其對于提升總體組件乃至全局系統(tǒng)的性能可靠性具有很高的價值[5-6]。本文正是基于當前功率組件散熱工程實踐中的難點，搭建組件3D數(shù)值模型，關注內(nèi)層傳導熱通道細節(jié)，借助優(yōu)質(zhì)的熱分析平臺，選定某型電子機柜內(nèi)的功率組件作為研制目標，積極論證內(nèi)嵌散熱器各式結構形態(tài)包絡和入出口角位對整體冷卻效能的干涉及改變，力爭為后續(xù)組件散熱工程深化實施提供指引。

1 組件散熱簡介及整體熱工況設計

現(xiàn)研制的一類組件，其基礎由內(nèi)置功放矩形管體、鏈接驅(qū)動子模塊、供端電源單元等電子器件組成。整套組件結構3D立視圖如圖1所示。組件機加殼體中隔區(qū)域螺裝兩縱列功放矩形管體，側(cè)面表層管體引腳豎直植入盒體底脛層。驅(qū)動子模塊平鋪于盒底兩殼面有序列沿縱徑邊側(cè)，采取點焊配適螺裝緊固連接方式，為確保各元件底面與冷板冷表面齊整，應充分填充導熱硅脂。供端電源單元因功能體現(xiàn)在輸入端，適宜布置在組件前側(cè)，盡量不遠離冷板核心交互冷表面，熱點周圍可進行滿焊接入。

圖1 組件結構3D立視圖

源于上級機柜分割包絡限制，此型組件外緣尺寸不超出：長468 mm、寬251 mm、高82 mm，其中功放管件合計熱耗值1 261.6 W，驅(qū)動模塊合計熱耗值283 W，供端電源合計熱耗值76 W，其他零星熱點耗值不高于59 W。為力促核心高熱元件與冷卻介質(zhì)滿界面交換，積累了高熱流密度的管體底層局部規(guī)制微肋翅強對流區(qū)，相較而言肋翅厚度更薄、間距更緊密，選取正反雙向豎立列排分布的結構形式，詳細結構展示圖如圖2所示。

圖2 功率組件微小通道肋片區(qū)域示意圖

圖3所示為組件冷卻層微肋翅通道流程圖。承接高熱管件底端熱交互的微小肋翅，耦合現(xiàn)有高精機加匹配組件盒體一體成型，與盒體冷卻夾層圍堵形成獨立熱沉空間，其空間內(nèi)熱置換量與肋翅形態(tài)（含寬度、高度、肋間隙、肋角度等）緊密關聯(lián)。熱控介質(zhì)沿入口流進盒體，掠過功率和驅(qū)動管件下側(cè)微肋翅通道區(qū)，集中熱交互，最終從盒體出口帶離熱量。

圖3 組件冷卻層微肋翅通道流程圖

2 功率組件熱分析

通常熱源發(fā)熱量在介質(zhì)中傳輸有三類途徑：對流、傳導及相關輻射。此次研制組件中可辨析的主傳熱渠道為固-固傳導、固-液對流，其他小量熱輻射交互可忽略。為研究微小通道具體形態(tài)及結構方式對模塊冷卻效能的干涉層次和響應力度，利用熱工程數(shù)值庫FLOTHERM針對此型功率組件建立盡可能逼真的模型，取組件外緣邊界因子詳細定義各運行背景參數(shù)，在計算模擬準確的前提下，拓寬全局建模梯度，強化模型細節(jié)，具體如圖4所示。

圖4 功率組件熱仿真數(shù)值計算模型

首先采集起始建模雛形，確認基本參數(shù)無誤，功率核心管件、驅(qū)動單元等主體元件依照正態(tài)數(shù)值包絡-AKC規(guī)范逐步制定具體特征基數(shù)，截取盒體冷卻面搭架微鈑金滲透-熱沉田塊式阻抗槽，逐點識別各形式熱源單元不同類熱況因素，進行整體計算仿真，另外還需運算中間態(tài)異動過程，明確穩(wěn)態(tài)模擬曲線平整有效。

鑒于該型高功率組件發(fā)射狀態(tài)時的高附加能量耗散，采用外圍環(huán)境邊界條件如表1所示。除此之外，冷卻層入口風量大致為6.5 L/min，入口溫度為43 ℃。

表1 外圍環(huán)境邊界條件

基于表1，內(nèi)植于組件的微通道散熱器，其形態(tài)包絡和入出口角位設計對整套組件冷卻效能較為關鍵。由于翅肋片結構規(guī)制如肋間距、肋高及肋片厚等要素已有較多相關論述，現(xiàn)主要以散熱微通道的形態(tài)包絡和入出口角位為核心分析組件熱性能，力求立足于散熱微通道的形態(tài)包絡和入出口角位的兩層維度，為散熱器提供更多可能的高效散熱形態(tài)。

2.1 微通道散熱器形態(tài)包絡對散熱性能的影響

通過微通道散熱器形態(tài)包絡的特性變化研究更為合適的散熱性能設計，相較以往“方形”或“塊狀”的散熱器包絡，能更好地設計散熱通道。以往常用的散熱器主要適用于較低熱流密度及小熱耗工況，此次研究重點關注更高熱流密度工況：1）在高熱流密度和大熱耗量級上，為達到相同的散熱目標溫度，盡可能提取出更優(yōu)的形態(tài)包絡，確保更小的底層散熱面積；2）在該散熱器性能基礎上校核流阻匹配。散熱器包絡必須考慮可制造性，基于現(xiàn)實制造工藝基礎，有一些僅存于拓撲仿真計算的高性能散熱器結構包絡，不宜選用，因此選定兩個基本形態(tài)的散熱器包絡作為研究樣件，即橢圓形和雙V型（以等邊雙V為例）。各型散熱器包絡具體試驗參數(shù)和散熱器肋片參數(shù)如表2和表3所示。

表2 各型散熱器包絡試驗參數(shù)

表3 散熱器肋片參數(shù)

表2、表3給出了散熱器相關基礎參數(shù)如散熱面積、入口壓力、入口流速及肋片厚度、高度、間距等，其中只有散熱面積不盡相同。針對這三種散熱器約束除形態(tài)包絡這一單一因子不同外，其他參數(shù)均保持統(tǒng)一，從而對形態(tài)包絡的敏感性進行分析。

從圖5、圖6和圖7中可明確看出，橢圓形和雙V型散熱器與傳統(tǒng)方形散熱器達到相同目標溫度的同時，橢圓形和雙V型散熱器所需的散熱投影面積明顯小于傳統(tǒng)方形散熱器，三者由大到小依次為：傳統(tǒng)方形（24.2 cm2）、雙V型（21.8 cm2）、橢圓形（19.6 cm2）。其中，橢圓形散熱器的散熱面積又小于雙V型散熱器的散熱面積，說明通常采用的傳統(tǒng)方形散熱器存在散熱離散，不利于散熱通道的集中收斂，不作為散熱效率的最優(yōu)態(tài)。上述研究證實了高熱耗散工況下針對散熱包絡研究的必要性，其分析結果對于拓展非線性散熱包絡具有重要意義。

圖5 傳統(tǒng)方形散熱器熱仿真云圖

圖6 雙V型散熱器熱仿真云圖

圖7 橢圓形散熱器熱仿真云圖

與此同時，還驗算了上述三類不同形態(tài)包絡的散熱器流阻匹配狀態(tài)，具體如表4所示。從中可知，傳統(tǒng)方形散熱器的流阻稍大，橢圓形散熱器的流阻略小，雙V型散熱器的流阻最大。三者流阻略有不同，但均處于可控范圍內(nèi)，不影響散熱性能。

表4 不同形態(tài)包絡的散熱器流阻狀態(tài)

2.2 微通道散熱器入出口角位對散熱性能的影響

工程中小熱耗及低熱流密度的組件散熱，散熱器入出口角位或許不會對其冷卻性能有明顯的影響，但在更高熱流密度組件的熱工況下，其差異十分顯著，因此需加強對入出口角位對全局散熱性能影響的分析。從散熱可控性的角度出發(fā)，優(yōu)化調(diào)整入口角位及入口-出口間的流程，對于壓縮冷卻浮動“死區(qū)”和增大擾流面積具有積極意義。

基于2.1分析結果，選取散熱性能較好的橢圓形散熱包絡作為樣品，采用入口-出口同側(cè)同路、入口-出口中位同路、入口-出口異側(cè)叉路三種模式進行對比，同時約束其他散熱器微通道參數(shù)為恒值，如表5所示。

如圖8、圖9和圖10所示，通過三種入出口角位的分析對比可以發(fā)現(xiàn)，入口-出口采取同側(cè)同路模式時功率溫度最高，中位同路和異側(cè)叉路的溫度偏低，相較而言異側(cè)叉路的溫度更低些。究其原因，異側(cè)叉路的冷卻液流程流線更為勻稱，沿程阻力更為平衡。因此上述仿真試驗表明，合理有效的入口-出口布置形式更有利于在高熱流密度工況下發(fā)揮其散熱性能。

圖8 入口-出口同側(cè)同路熱仿真云圖

圖10 入口-出口異側(cè)叉路熱仿真云圖

3 結論

本文針對大熱耗、高熱流密度功率組件微通道散熱器的研究，從散熱器形態(tài)包絡和入出口角位兩個維度出發(fā)，選定某型工程組件典型熱工況作機理特性分析及敏感性分析，得出：相較于傳統(tǒng)方形包絡散熱器，雙V型和橢圓形散熱器冷卻性能更具優(yōu)勢，且橢圓形散熱器更有利于散熱效能的發(fā)揮；相較于以往中位同路的入出口角位，入口-出口同側(cè)同路明顯散熱效果偏差，但入口-出口異側(cè)叉路散熱效能卻優(yōu)于中位同路。上述研究證實了高熱耗散工況下針對散熱包絡研究的必要性，其分析結果對于拓展非線性散熱包絡具有重要意義，有利于今后高功率散熱組件的深度研究及工程應用。