某數(shù)字T/R組件微通道液冷冷板的熱設(shè)計(jì)*

劉曉紅，江 建

(北京無線電測量研究所， 北京 100854)

某數(shù)字T/R組件微通道液冷冷板的熱設(shè)計(jì)*

劉曉紅，江 建

(北京無線電測量研究所， 北京 100854)

文中針對某大功率數(shù)字T/R組件局部熱流密度較高的特點(diǎn)，提出了微通道散熱模塊與蛇形流道相結(jié)合的散熱方式，設(shè)計(jì)了帶有微通道模塊的液冷冷板，通過仿真分析優(yōu)化了微通道模塊的幾何參數(shù)，并驗(yàn)證了液冷冷板的散熱效果。結(jié)果表明：微通道模塊對散熱效果改善明顯，可保障電子元件工作在允許的溫度范圍內(nèi)。該設(shè)計(jì)方式值得在局部熱流密度過高的液冷冷板設(shè)計(jì)中推廣應(yīng)用。

微通道；液冷冷板；T/R組件

引 言

隨著集成電路的發(fā)展，電子設(shè)備和系統(tǒng)的集成度越來越高，熱流密度越來越大，熱設(shè)計(jì)成為電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)[1-2]。一般熱流密度超過5 W/cm2時(shí)，就應(yīng)選擇強(qiáng)迫液冷散熱方式。常用的液冷結(jié)構(gòu)是蛇形流道冷板。若電子元件的熱流密度繼續(xù)增加，就需要對冷板進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。常規(guī)蛇形流道冷板的優(yōu)化設(shè)計(jì)側(cè)重2個(gè)方面：提高冷卻液的流速，使流動達(dá)到湍流狀態(tài)；改變流道方向，增加流體擾動，充分利用入口段效應(yīng)[3]。研究表明，冷板內(nèi)冷卻液流速增加對換熱性能的增強(qiáng)效果并不明顯，而且流阻會隨流速增加成平方關(guān)系增長，提高了對冷卻系統(tǒng)資源的需求。而對于嵌入金屬管的冷板，冷卻液在金屬管內(nèi)流動，只能通過增加流道折彎次數(shù)來改善散熱效果。

隨著雷達(dá)相控陣技術(shù)的發(fā)展，各種高功率密度元器件的應(yīng)用越來越多，熱流密度高達(dá)100 W /cm2。常規(guī)蛇形流道的液冷冷板已不能滿足相控陣?yán)走_(dá)T/R組件的散熱要求，需要引入微通道散熱結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)冷卻效果更好的液冷冷板[4-5]。微通道散熱器增加了冷卻液與冷板的換熱面積，而且微通道內(nèi)流體邊界層變得很薄，因而大大提高了液冷冷板的散熱效果[6-7]。本文針對局部熱流密度較高的數(shù)字T/R組件，設(shè)計(jì)了帶微通道散熱模塊的流道，并通過仿真分析驗(yàn)證了液冷冷板的散熱效果。

1 數(shù)字T/R組件結(jié)構(gòu)

如圖1所示，數(shù)字T/R組件為密閉式機(jī)箱結(jié)構(gòu)，液冷冷板位于機(jī)箱的中間位置，冷板既是所有電子元件的安裝載體又起到冷卻散熱的作用。數(shù)字T/R組件內(nèi)的熱源主要集中在功率管、隔離器、收發(fā)開關(guān)、數(shù)字收發(fā)板、濾波器組和模塊電源等幾個(gè)部分。為提高數(shù)字T/R組件的經(jīng)濟(jì)性，液冷冷板、機(jī)箱壁板及各種輔助功能結(jié)構(gòu)一次壓鑄成型。壓鑄材料選用高導(dǎo)熱率壓鑄鋁合金AlSi99，導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到205 W/(m·K)。

圖1 數(shù)字T/R組件結(jié)構(gòu)

2 冷板內(nèi)流道結(jié)構(gòu)

如圖2所示，液冷冷板內(nèi)部流道為蛇形流道，冷卻液流經(jīng)各發(fā)熱元件對應(yīng)的冷板區(qū)域，將熱量帶走。為提高傳熱效率，增強(qiáng)耐腐蝕的能力和承壓能力，蛇形流道采用紫銅管，避免壓鑄鋁材料與防凍液直接接觸。紫銅材料具有優(yōu)良的耐腐蝕性，能夠保證系統(tǒng)長期穩(wěn)定地工作。

圖2 冷板內(nèi)流道結(jié)構(gòu)

3 熱設(shè)計(jì)

3.1 熱負(fù)荷

數(shù)字T/R組件內(nèi)的熱負(fù)荷共1 869.2 W，其分布見表1。熱負(fù)荷主要集中在冷板的正面，并且以功率管和隔離器為主，需要進(jìn)行詳細(xì)的熱設(shè)計(jì)。

表1 數(shù)字T/R組件內(nèi)的熱負(fù)荷

3.2 熱設(shè)計(jì)指標(biāo)

熱設(shè)計(jì)指標(biāo)如下：

1)功率管安裝面溫度低于85 ℃；

2)環(huán)形器基板溫度低于75 ℃；

3)限放電阻基板溫度低于100 ℃；

4)其他電子元件的安裝面溫度低于70 ℃。

3.3 功率管散熱

3.3.1 微通道散熱模塊

功率管為數(shù)字T/R組件的關(guān)鍵發(fā)熱元件，熱流密度高達(dá)63 W/cm2，為保證其散熱效果，設(shè)計(jì)了微通道散熱模塊，如圖3所示。功率管直接安裝在散熱模塊的上蓋上，微通道散熱器與模塊上蓋為一體式結(jié)構(gòu)，再與散熱模塊的底部凹槽釬焊在一起。微通道散熱器由紫銅加工而成。

圖3 微通道散熱模塊

為降低接觸熱阻和保證可維護(hù)性，在功率管與散熱模塊之間墊有導(dǎo)熱系數(shù)為75 W/(m·K) 、厚度為0.15 mm的金屬銦片。

3.3.2 微通道散熱模塊參數(shù)優(yōu)化

通過仿真分析對微通道散熱模塊的幾何參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，計(jì)算工況如圖4所示。

圖4 計(jì)算工況

計(jì)算結(jié)果見表2。綜合考慮散熱效果、系統(tǒng)流阻、工藝可實(shí)現(xiàn)性和成本，最終選定了工況3的散熱模塊結(jié)構(gòu)。該模塊長40 mm，寬25 mm，高10 mm，散熱齒厚為0.8 mm，齒間距為1.2 mm。

表2 微通道散熱模塊參數(shù)優(yōu)化

3.4 隔離器散熱

隔離器的熱源分為2部分：環(huán)形器100 W和限放電阻100 W，熱流密度較大。如圖5所示，熱源安裝在隔離器的基板上，隔離器基板螺栓連接在液冷冷板上表面，冷卻液流經(jīng)冷板將熱量帶走。由于數(shù)字T/R組件結(jié)構(gòu)的限制，冷卻液流道并未直接從隔離器熱源對應(yīng)位置的冷板下面流過，致使傳熱效率下降，因此需要對隔離器基板材料和冷板基材的傳熱性能進(jìn)行詳細(xì)的分析。分析結(jié)果見圖6和表3。綜合考慮散熱效果、工藝可實(shí)現(xiàn)性和成本，最終確定隔離器基板材料為銅，冷板基材仍舊為壓鑄鋁合金。

圖5 隔離器

圖6 環(huán)形器和限放電阻的溫度

序號隔離器基板材料液冷冷板材料環(huán)行器溫度/℃限放電阻溫度/℃?zhèn)渥⒐r15A06Cu72.4127.3限放電阻溫度過高工況26063-T5Cu68.7102.3限放電阻溫度過高工況3CuAlSi9968.188.3滿足

4 仿真分析

4.1 流動阻力計(jì)算

冷卻液選用65號防凍液，流道內(nèi)徑8 mm，流道進(jìn)出口選用盲插式流體連接器。液冷冷板的流動阻力包括冷板流道內(nèi)的流動阻力(采用商業(yè)軟件計(jì)算得到)和流道進(jìn)出口流體連接器的流動阻力(采用產(chǎn)品手冊提供的流阻曲線插值得到)。

圖7給出了不同冷卻液流量下液冷冷板的流動阻力。液冷系統(tǒng)為冷板提供的設(shè)計(jì)輸入條件為供液流量≤8 L/min，供液壓力≤0.15 MPa。由圖7可以看出，冷板的供液流量應(yīng)低于7.5 L/min，考慮到保留一定的設(shè)計(jì)余量，初步選擇冷板的供液流量為6 L/min。

圖7 液冷冷板的流動阻力曲線

4.2 散熱仿真分析

為了驗(yàn)證液冷冷板的散熱效果，采用商業(yè)軟件進(jìn)行散熱仿真分析。仿真分析邊界條件如下：

1)冷卻液為65號防凍液；

2)供液溫度為45 ℃；

3)供液流量為6 L/min。

流阻仿真分析結(jié)果如圖8所示。供液流量為6 L/min，采用微通道散熱模塊，流道內(nèi)的流動阻力約為0.057 MPa，附加液冷接頭的流動阻力為0.11 MPa，滿足供液壓力小于0.15 MPa的設(shè)計(jì)要求。而光管流道內(nèi)的流動阻力約為0.038 MPa，附加液冷接頭的流動阻力為0.091 MPa。

圖8 流道的流動阻力(6 L/min)

散熱仿真分析結(jié)果見圖9和表4。

圖9 電子元件和冷板的溫度

序號名稱溫度/℃光管帶散熱模塊1功率管105.273.52環(huán)形器—68.13限放電阻—88.34收發(fā)開關(guān)—61.25數(shù)字收發(fā)板—58.46濾波器組—57.07模塊電源—53.3

分析表4中的數(shù)據(jù)，得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

1)供液流量為6 L/min時(shí)，采用微通道散熱模塊，數(shù)字T/R組件內(nèi)的所有電子元件溫度均滿足熱設(shè)計(jì)要求，且留有一定的設(shè)計(jì)余量；

2)與光管流道相比，采用微通道散熱模塊后，功率管的溫度降低了31.7 ℃，散熱效果改善明顯；

3)與光管流道相比，采用微通道散熱模塊后，液冷冷板的流動阻力增加了0.019 MPa，流阻增加不明顯。

5 結(jié)束語

本文的研究對象是某大功率數(shù)字T/R組件，出于經(jīng)濟(jì)性和安全性考慮，設(shè)計(jì)了內(nèi)嵌蛇形流道的液冷冷板。針對高熱流密度的功率管，設(shè)計(jì)了微通道散熱模塊，并對其進(jìn)行了幾何參數(shù)優(yōu)化。仿真分析結(jié)果表明：液冷冷板的設(shè)計(jì)滿足組件內(nèi)所有電子元件的散熱要求，且留有一定的設(shè)計(jì)余量；微通道散熱模塊對散熱效果改善明顯；引入微通道散熱模塊后，液冷冷板的流動阻力有所增加，但在允許的范圍內(nèi)。

液冷冷板引入微通道散熱器，在提高散熱效果的同時(shí)增加了流動阻力。因此，在冷板的高熱流密度區(qū)域，局部采用微通道散熱器的方法，值得在液冷冷板的設(shè)計(jì)中推廣應(yīng)用。

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劉曉紅(1982-)，女，高級工程師，主要從事雷達(dá)結(jié)構(gòu)熱設(shè)計(jì)工作。

Thermal Design of Mini-channel Liquid Cold Plate in a Digital T/R Module

LIU Xiao-hong，JIANG Jian

(BeijingInstituteofRadioMeasurement,Beijing100854,China)

The mini-channel combined with the serpentine flow channel is introduced to cool the high power digital T/R module with high heat flux in local area. The liquid cold plate with mini-channel is designed. And the structure of the mini-channel heat sink is optimized through simulation, which also validates the cooling performance of the liquid cold plate. The result shows that the cooling performance of the mini-channel liquid cold plate is better than that of the traditional one, which can guarantee the electronic elements to work in the allowed temperature. This thermal design method can be widely used in the cold plate with high heat flux in local area.

mini-channel; liquid cold plate; T/R module

2016-02-23

TK414.2

A

1008-5300(2016)02-0013-04