固態(tài)組件材料和結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)熱阻的影響

李金旺，錢(qián)吉裕

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

固態(tài)組件材料和結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)熱阻的影響

李金旺，錢(qián)吉裕

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

研究了熱流密度為100 W/cm2的固態(tài)組件的基板和殼體的等效導(dǎo)熱系數(shù)、厚度和橫截面面積對(duì)整個(gè)組件的冷卻裝置的熱阻的影響?；搴蜌んw的導(dǎo)熱系數(shù)從160 W/(m·K)提高到800 W/(m·K)時(shí)，冷卻裝置總熱阻分別下降約1.2 ℃/W和0.55 ℃/W，下降比例分別為33.3%和15.5%；基板厚度從0.4 mm增加到1.6 mm時(shí)，冷卻裝置總熱阻下降約0.78 ℃/W，下降比例為22.0%；基板橫截面面積從0.42 cm2增加到2.1 cm2時(shí)，冷卻裝置總熱阻下降約0.52 ℃/W，下降比例為15.1%；殼體厚度從0.8 mm增加到2.4 mm時(shí)，冷卻裝置總熱阻下降約0.43 ℃/W，下降比例為11.6%；以上各種情況中冷卻裝置總熱阻下降趨勢(shì)為先急后緩。對(duì)于目前的組件而言，參考上述結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化，將使組件的冷卻得到明顯改善。

冷卻；固態(tài)組件；熱阻；導(dǎo)熱系數(shù)

引 言

雷達(dá)是一種利用電磁波發(fā)現(xiàn)目標(biāo)并獲取目標(biāo)位置等信息的裝置，在軍用和民用領(lǐng)域均得到了廣泛的應(yīng)用。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，雷達(dá)系統(tǒng)的功率越來(lái)越大，雷達(dá)系統(tǒng)的組裝密度也越來(lái)越高。集成電路的熱流密度在20世紀(jì)90年代只有20～30 W/cm2，目前已經(jīng)達(dá)到了100 W/cm2，且這種發(fā)展趨勢(shì)依然在不斷擴(kuò)大，據(jù)推測(cè)，雷達(dá)系統(tǒng)的熱流密度在不久的將來(lái)很有可能突破1000W/cm2[1]。面對(duì)這樣的挑戰(zhàn)，雷達(dá)冷卻技術(shù)需要進(jìn)行什么樣的變化來(lái)滿(mǎn)足這些要求？

天線(xiàn)是雷達(dá)的核心部分，而固態(tài)收發(fā)組件(T/R組件)則是有源相控陣天線(xiàn)的關(guān)鍵，一個(gè)有源相控陣天線(xiàn)可能包括上千個(gè)T/R組件，這些T/R組件產(chǎn)生的熱量占雷達(dá)總熱耗的絕大部分[2]。近年來(lái)，高導(dǎo)熱材料和裝置得到了一定的發(fā)展，如在雷達(dá)電子模塊的冷卻中采用這些高導(dǎo)熱材料或裝置，效果將會(huì)如何？

文獻(xiàn)[3]研究了雷達(dá)冷卻裝置中的冷板分別內(nèi)嵌銅塊、熱管和蒸發(fā)室時(shí)的冷卻效果，結(jié)果表明這些減小擴(kuò)展熱阻的措施對(duì)高熱流密度電子設(shè)備的散熱效果明顯。文獻(xiàn)[4]對(duì)T/R組件進(jìn)行了自然冷卻、液體冷卻和熱管冷卻的仿真分析，結(jié)果表明熱管冷卻等采用高導(dǎo)熱材料或裝置的方法對(duì)于相控陣?yán)走_(dá)T/R組件具有良好的冷卻效果和綜合性能。文獻(xiàn)[5]對(duì)T/R組件進(jìn)行了熱管冷卻的數(shù)值仿真研究，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試了熱管導(dǎo)熱系數(shù)等參數(shù)對(duì)組件冷卻效果的影響，結(jié)果表明熱管的導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)T/R組件的冷卻效果有很大的影響。文獻(xiàn)[6]綜述了傳統(tǒng)T/R組件封裝材料的優(yōu)勢(shì)及不足，同時(shí)指出了目前我國(guó)新型封裝材料存在的問(wèn)題及進(jìn)一步完善的措施，對(duì)金屬基封裝材料的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望，并提出了高導(dǎo)熱T/R組件封裝材料當(dāng)前及未來(lái)的研究方向。

本文將分析有源相控陣?yán)走_(dá)固態(tài)T/R組件的基板和殼體的導(dǎo)熱系數(shù)、厚度和橫截面面積對(duì)整個(gè)冷卻裝置的熱阻的影響，為T(mén)/R組件冷卻技術(shù)的進(jìn)一步研究和發(fā)展提供參考。

1 雷達(dá)冷卻的方法及其特點(diǎn)

像其他電子設(shè)備的冷卻一樣，雷達(dá)的冷卻形式也包括自然散熱、強(qiáng)迫風(fēng)冷、強(qiáng)迫液冷等。為了維護(hù)的方便，雷達(dá)一般進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，通常包括若干個(gè)現(xiàn)場(chǎng)可更換單元(LRU)，例如天線(xiàn)單元、處理單元、接收單元和電源單元等。一個(gè)LRU一般包括若干個(gè)現(xiàn)場(chǎng)可更換模塊(LRM)，因此，無(wú)論是采用強(qiáng)迫風(fēng)冷還是強(qiáng)迫液冷的形式，冷卻介質(zhì)往往只能與LRM模塊的殼體進(jìn)行接觸。而且，為了安裝和維護(hù)的方便，在雷達(dá)系統(tǒng)中，冷卻介質(zhì)(特別是液體介質(zhì))一般不直接與LRM模塊接觸，而是只在冷板內(nèi)流動(dòng)(冷板是指一種特殊的散熱器，其內(nèi)部包含流道，工作時(shí)流道內(nèi)的流體與冷板進(jìn)行熱交換)。模塊工作時(shí)產(chǎn)生的熱量先通過(guò)模塊的殼體傳導(dǎo)給冷板的殼體，然后再通過(guò)對(duì)流換熱的方式傳給冷卻介質(zhì)，通過(guò)冷卻介質(zhì)的流動(dòng)和循環(huán)將模塊產(chǎn)生的熱量帶走。在雷達(dá)系統(tǒng)中，LRM模塊通常不采用焊接的方式與相應(yīng)的冷板進(jìn)行連接，而是采用楔形塊鎖緊機(jī)構(gòu)或螺釘連接，帶來(lái)的后果就是模塊與冷板間存在一定的接觸熱阻。在某些場(chǎng)合，模塊與冷板間的接觸熱阻占到了模塊熱源到冷卻介質(zhì)間總熱阻的大部分，因此模塊與冷板間接觸熱阻的研究成為雷達(dá)冷卻技術(shù)中重要的一部分。

無(wú)論是采用強(qiáng)迫風(fēng)冷還是強(qiáng)迫液冷的形式，雷達(dá)冷卻裝置中均包括熱傳導(dǎo)(含界面熱傳導(dǎo))和對(duì)流換熱，而這些均與需要冷卻的LRM模塊的封裝材料和結(jié)構(gòu)以及冷板的材料和結(jié)構(gòu)有很大關(guān)系。以有源相控陣?yán)走_(dá)T/R組件為例，其內(nèi)部主要產(chǎn)生熱耗的芯片一般焊接在基板(目前典型材料為鉬)上，基板再焊接在組件的殼體(目前典型材料為碳硅鋁)上，整個(gè)T/R組件再通過(guò)壓接的方式與冷板連接，其傳熱模型如圖1所示。

圖1 雷達(dá)冷卻裝置中功率芯片的傳熱模型

本文將針對(duì)上述雷達(dá)組件冷卻裝置中的傳熱模型，采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的方法，研究各環(huán)節(jié)的材料的導(dǎo)熱系數(shù)對(duì)整個(gè)裝置的冷卻效果的影響。

對(duì)照?qǐng)D1，本文研究的基準(zhǔn)模型中，芯片發(fā)熱面面積為3 mm × 4 mm，基板橫截面大小包括6 mm × 7 mm、8 mm × 9 mm、10 mm × 11 mm、12 mm × 13 mm和14 mm × 15 mm 5種情況，基板厚度為0.4～1.6 mm，組件殼體橫截面大小為45 mm × 15 mm，殼體厚度為0.8～2.4 mm，基板與組件殼體間為焊接連接，界面熱阻設(shè)為0.4cm2·℃/W，組件下方的冷板大小為45 mm × 15 mm × 5.4 mm，冷板與組件殼體間為壓接連接，冷板兩面均布置有組件，組件與冷板間的界面熱阻設(shè)為5 cm2·℃/W，冷板中流道截面大小為40 mm × 1.4 mm，流體介質(zhì)為65#乙二醇防凍液，其流速設(shè)為0.8 m/s，入口溫度為30 ℃。

2 結(jié)果與討論

2.1 基板導(dǎo)熱系數(shù)的影響

對(duì)于最高熱流密度為100 W/cm2的組件及其冷卻裝置，若將基板更換為導(dǎo)熱性能更好的材料，也就是提高基板的等效導(dǎo)熱系數(shù)，保持其他參數(shù)不變，則冷卻裝置總熱阻與基板導(dǎo)熱系數(shù)之間的關(guān)系如圖2所示。

圖2 冷卻裝置總熱阻與基板導(dǎo)熱系數(shù)的關(guān)系

由圖2可見(jiàn)，隨著基板導(dǎo)熱系數(shù)的增大，冷卻裝置總熱阻不斷降低。基板材料從鉬片更換為導(dǎo)熱系數(shù)為800W/(m·K)的材料后，冷卻裝置總熱阻下降約1.2 ℃/W，下降比例為33.3%，效果顯著。隨著基板導(dǎo)熱系數(shù)的增大，冷卻裝置總熱阻下降趨勢(shì)為先急后緩。

2.2 基板厚度的影響

對(duì)于最高熱流密度為100 W/cm2的組件及其冷卻裝置，若改變基板的厚度，保持其他參數(shù)不變，則冷卻裝置總熱阻與基板厚度有圖3所示關(guān)系。

圖3 冷卻裝置總熱阻與基板厚度的關(guān)系

由圖3可見(jiàn)，隨著基板厚度的增大，冷卻裝置總熱阻不斷降低。當(dāng)基板厚度從0.4 mm增加到1.6 mm時(shí)，冷卻裝置總熱阻下降約0.78 ℃/W，下降比例為22.0%，效果較顯著。隨著基板厚度的增大，冷卻裝置總熱阻下降趨勢(shì)為先急后緩。

2.3 基板橫截面面積的影響

對(duì)于最高熱流密度為100 W/cm2的組件及其冷卻裝置，若改變基板橫截面面積，保持其他參數(shù)不變，則冷卻裝置總熱阻與基板橫截面面積有圖4所示關(guān)系。

圖4 冷卻裝置總熱阻與基板橫截面面積的關(guān)系

由圖4可見(jiàn)，隨著基板橫截面面積的增大，冷卻裝置總熱阻不斷降低。當(dāng)基板橫截面面積從0.42 cm2增加到2.1 cm2時(shí)，冷卻裝置總熱阻下降約0.52 ℃/W，下降比例為15.1%，效果明顯。隨著基板橫截面面積的增大，冷卻裝置總熱阻下降趨勢(shì)為先急后緩。

2.4 殼體導(dǎo)熱系數(shù)的影響

對(duì)于最高熱流密度為100 W/cm2的組件及其冷卻裝置，若將殼體更換為導(dǎo)熱性能更好的材料，也就是提高殼體的等效導(dǎo)熱系數(shù)，保持其他參數(shù)不變，則冷卻裝置總熱阻與殼體導(dǎo)熱系數(shù)有圖5所示關(guān)系。

由圖5可見(jiàn)，隨著殼體導(dǎo)熱系數(shù)的增大，冷卻裝置總熱阻不斷降低。殼體材料從鋁硅碳更換為導(dǎo)熱系數(shù)為800 W/(m·K)的材料后，冷卻裝置總熱阻下降約0.55 ℃/W，下降比例為15.5%，效果明顯。隨著殼體導(dǎo)熱系數(shù)的增大，冷卻裝置總熱阻下降趨勢(shì)為先急后緩。

2.5 殼體厚度的影響

對(duì)于最高熱流密度為100 W/cm2的組件及其冷卻裝置，若改變殼體的厚度，保持其他參數(shù)不變，則冷卻裝置總熱阻與殼體厚度有圖6所示關(guān)系。

圖6 冷卻裝置總熱阻與殼體厚度的關(guān)系

由圖6可見(jiàn)，隨著殼體厚度的增大，冷卻裝置總熱阻不斷降低。當(dāng)殼體厚度從0.8 mm增加到2.4 mm時(shí)，冷卻裝置總熱阻下降約0.43 ℃/W，下降比例為11.6%，效果一般。隨著殼體厚度的增大，冷卻裝置總熱阻下降趨勢(shì)為先急后緩。

對(duì)于未來(lái)芯片熱耗更高的情況，例如芯片熱耗從10 W增加到20 W，如不采取相應(yīng)措施，也就是冷卻裝置的總熱阻不變，冷卻液的入口溫度也不變，則芯片與冷卻液之間的溫差將加倍，將影響芯片的工作性能。因此必須采取性能更好的冷卻手段，改善組件的材料和結(jié)構(gòu)參數(shù)就是一種行之有效的措施。

結(jié)合前面分析的結(jié)果，若采用不同的措施改善組件的材料和結(jié)構(gòu)參數(shù)，隨著基板的導(dǎo)熱系數(shù)、厚度和橫截面面積的增大以及殼體的導(dǎo)熱系數(shù)和厚度的增大，組件冷卻裝置的總熱阻不斷降低，并且下降的趨勢(shì)為先急后緩。上述措施中，改變基板參數(shù)達(dá)到的效果要比改變殼體參數(shù)好，而無(wú)論是基板還是殼體，改變?cè)搶拥牡刃?dǎo)熱系數(shù)效果最好、增加厚度效果次之、增加橫截面面積效果最差。

造成上述結(jié)果的原因是：基板離芯片(熱源)較近，組件殼體則離芯片較遠(yuǎn)，芯片產(chǎn)生的熱量需要先經(jīng)過(guò)基板再傳導(dǎo)到組件殼體，基板與殼體間存在界面熱阻，并且基板無(wú)論是厚度還是面積都較小。因此基板參數(shù)的改善效果均優(yōu)于相應(yīng)組件殼體參數(shù)的改善效果。

從以上結(jié)果可以看出，組件的材料和結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其冷卻有很大影響。組件加工完成后熱阻就固定下來(lái)，組件材料的導(dǎo)熱系數(shù)低、組件的結(jié)構(gòu)參數(shù)不合適等問(wèn)題會(huì)對(duì)末端冷卻帶來(lái)更大的難度，在一定程度上限制了末端冷卻介質(zhì)的溫度和流量等參數(shù)的選擇。因此，最好在組件設(shè)計(jì)時(shí)就開(kāi)始考慮冷卻，合理分配各層的熱阻。對(duì)于目前的組件而言，適當(dāng)提高組件基板的等效導(dǎo)熱系數(shù)、厚度和橫截面面積以及殼體的等效導(dǎo)熱系數(shù)和厚度，將使組件的冷卻得到明顯的改善，使得更高熱流密度組件的有效冷卻成為可能。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)電子設(shè)備典型組件冷卻的傳熱模型，采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的方法，研究組件基板和殼體的等效導(dǎo)熱系數(shù)、厚度和橫截面面積對(duì)整個(gè)冷卻裝置的熱阻的影響，得出的主要結(jié)論如下：

基板導(dǎo)熱系數(shù)從160 W/(m·K)提高到800 W/(m·K)時(shí)，冷卻裝置總熱阻下降約1.2 ℃/W，下降比例為33.3%，效果顯著。

基板厚度從0.4 mm增加到1.6 mm時(shí)，冷卻裝置總熱阻下降約0.78 ℃/W，下降比例為22.0%，效果較顯著。

基板橫截面面積從0.42 cm2增加到2.1 cm2時(shí)，冷卻裝置總熱阻下降約0.52 ℃/W，下降比例為15.1%，效果明顯。

殼體導(dǎo)熱系數(shù)從160 W/(m·K)提高到800 W/(m·K)時(shí)，冷卻裝置總熱阻下降約0.55 ℃/W，下降比例為15.5%，效果明顯。

殼體厚度從0.8 mm增加到2.4 mm時(shí)，冷卻裝置總熱阻下降約0.43 ℃/W，下降比例為11.6%，效果一般。

以上各種情況中冷卻裝置總熱阻下降趨勢(shì)為先急后緩。對(duì)于目前的組件而言，參考上述結(jié)果對(duì)組件的材料和結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化，將使組件的冷卻得到明顯改善。

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李金旺(1984-)，男，工程師，主要從事電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)相關(guān)工作。

錢(qián)吉裕(1978-)，男，高級(jí)工程師，主要從事電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)相關(guān)工作。

Effect of Material and Structure Parameters on Thermal Resistance of Solid State Module

LI Jin-wang，QIAN Ji-yu

(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology，Nanjing210039,China)

The effect of equivalent thermal conductivity, thickness and cross-sectional area of the base and the shell of solid state module (heat flux is 100 W/cm2) on the thermal resistance of the cooling device of the module is studied in this paper. The thermal resistance of the cooling device reduces about 1.2 ℃/W and 0.55 ℃/W when the thermal conductivity of the base and the shell increase from 160 W/(m·K) to 800 W/(m·K) respectively, and the reducing percentage is 33.3% and 15.5% respectively. The thermal resistance of the cooling device reduces about 0.78 ℃/W when the thickness of the base increases from 0.4 mm to 1.6 mm, and the reducing percentage is 22.0%. The thermal resistance of the cooling device reduces about 0.52 ℃/W when the cross-sectional area of the base increases from 0.42 cm2to 2.1 cm2, and the reducing percentage is 15.1%. The thermal resistance of the cooling device reduces about 0.43 ℃/W when the thickness of the shell increases from 0.8 mm to 2.4 mm, and the reducing percentage is 11.6%. The above change rates are all rapid at first and slow latter. As to the electronic module nowadays, the cooling will be improved a lot if the module is optimized according to the above result.

cooling; solid state module; thermal resistance; thermal conductivity

2013-11-17

TK124

A

1008-5300(2014)02-0019-04