高熱流密度功放芯片冷卻用兩相流技術(shù)研究*

孔祥舉，李 力，錢吉裕，梅 源，張梁娟，孫華冬

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

高熱流密度功放芯片冷卻用兩相流技術(shù)研究*

孔祥舉，李 力，錢吉裕，梅 源，張梁娟，孫華冬

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

功放芯片是現(xiàn)代雷達和電子戰(zhàn)設備最重要的發(fā)熱器件，其中GaN芯片在T/R組件中得到了越來越廣泛的應用。文中針對GaN芯片熱耗大、熱流密度高等特點，探討了從兩相流冷卻技術(shù)角度解決散熱問題的工程可行性。分析了兩相流冷卻原理，提出了用菱形肋微通道冷板來強化對流沸騰換熱的方法，并搭建了試驗系統(tǒng)對散熱性能進行了測試。試驗結(jié)果證明了兩相流冷卻技術(shù)應用于高熱流密度功放芯片散熱的有效性和可行性，為未來高熱流密度功放芯片的散熱提供了可行的解決方案。

GaN芯片；高熱流密度；兩相流冷卻

引 言

有源相控陣雷達(AESA)、電子戰(zhàn)(EW)和微機械系統(tǒng)技術(shù)(MEMS)的飛速發(fā)展，有力地推動了T/R組件技術(shù)的重大革新，其中作為微波功率輸出的功放芯片已從硅芯片、GaAs芯片發(fā)展到了第3代半導體GaN芯片。GaN器件的優(yōu)勢在于其輸出功率密度大，禁帶寬度較大，工作結(jié)溫較高，單位功率成本相對較低。GaN器件與GaAs芯片相比，前者的功率密度是后者的3倍多[1]。但功放芯片高功率輸出、高密度組裝和集成化封裝設計將導致功放芯片乃至T/R組件的熱流密度急劇增大，而功率器件的壽命和可靠性都與溫度有關(guān)。隨著溫度的升高，功率器件的壽命以指數(shù)速度下降，因此熱設計成為軍用電子設備的關(guān)鍵技術(shù)之一。

1 熱控方式選擇

美國海軍和空軍的若干項目顯示，在研的GaN芯片熱流密度已達500 W/cm2，未來芯片的熱流密度將超過1 000 W/cm2，如圖1[2]所示。傳統(tǒng)單相液冷熱設計手段已接近解決散熱問題的極限，如圖2[3]所示。其中，沖擊射流冷卻散熱能力可達到450 W/cm2，但沖擊射流冷卻結(jié)構(gòu)較為復雜，射流效果受射流孔徑大小、布置方式、沖擊角度等影響較大[4]，較難應用于結(jié)構(gòu)緊湊的有源相控陣雷達冷卻設計。

圖1 功放芯片熱流密度發(fā)展趨勢

圖2 各種單相散熱方式的散熱能力

因此，熱設計工程師面臨極為緊迫的散熱挑戰(zhàn)，急需新型的熱控技術(shù)來解決芯片和T/R組件的散熱難題。機械泵驅(qū)動的兩相流冷卻技術(shù)，成為國外軍用電子設備冷卻技術(shù)的研究熱點。兩相流冷卻技術(shù)的換熱能力為單相液冷的3倍多，且在沸騰換熱過程中冷卻劑溫度不變，可使相控陣有源陣面(含有成千上萬只功放芯片)各芯片保持較好的溫度一致性，因此該技術(shù)可較好地解決高熱流密度器件的散熱問題。自2004年起，DARPA、NASA、美國空軍和海軍等相關(guān)機構(gòu)組織多家科研機構(gòu)開展了兩相流冷卻技術(shù)的預先研究，其中Parker公司在研究電子設備民用的同時，也在開展該項技術(shù)在雷達領(lǐng)域的應用研究[5-9]。

2 冷板內(nèi)兩相流冷卻原理

冷板作為T/R組件的散熱設備，飽和或過冷液體冷卻劑進入T/R組件冷板，吸收功放芯片等發(fā)熱器件產(chǎn)生的大量熱量，產(chǎn)生蒸發(fā)沸騰現(xiàn)象，由液體轉(zhuǎn)變?yōu)橐合嗪蜌庀嗖⒋娴臓顟B(tài)，最后流出發(fā)熱電子設備?！皟上唷敝咐鋮s劑液體(液相)和吸熱蒸發(fā)而形成的冷卻劑蒸氣(氣相)，如圖3所示。

圖3 兩相流冷板原理

兩相流冷板的換熱性能取決于流道壁面氣泡群的產(chǎn)生、脫離、運動、湮滅等氣泡熱動力學特性，而氣化核的蒸發(fā)空間大小對壁面過熱度也有較大影響[10]。在流量一定的條件下，根據(jù)發(fā)熱器件不同的發(fā)熱量和發(fā)熱密度，即不同的干度x(無量綱數(shù))，冷卻劑會產(chǎn)生細泡狀流動、彈狀流動、環(huán)狀流動、霧狀流動等不同的流動狀態(tài)，如圖4[11]所示。冷板矩形流道內(nèi)通常為泡狀流、彈狀流和環(huán)狀流。考慮兩相流的經(jīng)濟性和安全性，干度范圍通常為0.55～0.8[12]。

圖4 強制沸騰換熱流型與傳熱區(qū)域關(guān)系圖

另外,兩相流冷板的換熱性能還受到重力方向的影響，即冷板安裝的方向會影響發(fā)熱芯片的溫度，這一點與單相液冷方式不同。

3 微小通道兩相冷板設計

為提升冷板的散熱性能，本文采用微小通道翅片以強化對流沸騰傳熱，并利用場協(xié)同原理對冷板內(nèi)部流道進行優(yōu)化設計，協(xié)同角β< 90°是強化換熱的一種重要條件[13]。在微小通道中，矩形肋速度u與溫度梯度T幾乎垂直，而菱形肋速度與溫度梯度夾角則小于90°，如圖5所示。

該冷板流道內(nèi)布置了菱形翅片陣列，翅片肋厚1.5 mm、間距為1 mm、夾角為60°，設計結(jié)果如圖6所示。

圖6 菱形肋片陣列設計

4 兩相冷板換熱性能試驗設計

為驗證菱形通道冷板的兩相流換熱能力和干度變化以及重力方向?qū)Q熱性能的影響，設計了兩相冷板換熱性能試驗系統(tǒng)。試驗采用等面積的發(fā)熱電阻代替功放芯片，冷卻劑為R134a。測試系統(tǒng)的組成如圖7所示，試驗樣品為高熱流密度冷板組裝件，如圖8所示。

圖7 測試系統(tǒng)組成

圖8 被測試冷板組裝件

兩相流冷板的換熱性能試驗系統(tǒng)包括以下3部分：

1)兩相流冷板測試臺，提供冷卻循環(huán)系統(tǒng)，并記錄冷卻劑流量、壓力、溫度、干度和發(fā)熱電阻溫度等基本參數(shù)；

2)高熱流密度冷板組裝件，其發(fā)熱電阻尺寸為5 mm × 2 mm，單只電阻最大發(fā)熱量為50 W，熱流密度最高為500 W/cm2，共8只；

3)冷板，可以0°～90°繞轉(zhuǎn)軸翻轉(zhuǎn)，其進口溫度為 28 ℃，質(zhì)量流速為44 kg/h，干度控制是通過控制冷板上大電阻的發(fā)熱功率來實現(xiàn)的。

試驗結(jié)果的測量誤差主要包括儀表精度誤差和被測試件自身的裝配性誤差，后者會影響被測電阻之間的溫度比對。裝配性誤差產(chǎn)生于不同發(fā)熱電阻之間焊接熱阻的差異(焊接率不同，焊接熱阻有一定變化)及不同射頻殼體與冷板的接觸熱阻的差異。根據(jù)經(jīng)驗估算，這個誤差反映在電阻(或鉬片)表面溫度的差異為3 ℃～5 ℃。

5 冷板換熱性能測試結(jié)果

試驗所用發(fā)熱電阻的熱流密度變化在150～500 W/cm2時，測得的電阻焊接表面(鉬片)溫度與供液溫度的溫差結(jié)果如圖9所示，電阻傳熱途徑的熱阻Rz近似為恒定值0.08 ℃·cm2/W(干度范圍為0.35～0.75)。

圖9 不同熱流密度下的換熱溫差

在電阻發(fā)熱密度為500 W/cm2時，鉬片最大溫度僅為71 ℃，與供液溫度的溫差ΔT僅為43 ℃。這個溫差(包括冷板對流沸騰溫差、熱擴展溫差和接觸溫差)僅為單相強化液冷的 2/3。相比之下，兩相流冷卻技術(shù)較好地滿足了功放芯片的散熱要求，有著較顯著的傳熱優(yōu)勢。

6 不同干度對溫度的影響

為驗證冷板兩相流不同干度的變化對發(fā)熱電阻散熱的影響，在發(fā)熱電阻熱流密度為500 W/ cm2的條件下，改變冷板的出口干度，當x在0.46～0.75之間變化時，電阻表面溫度波動范圍小于2.5 ℃，沒有明顯的變化，如圖10所示。

圖10 不同干度下電阻表面溫度

試驗結(jié)果表明，當冷卻劑流量在一定范圍內(nèi)變化時，干度并不直接影響發(fā)熱器件的溫度。對大型相控陣天線陣面冷卻而言，兩相流冷卻技術(shù)這一特點顯著降低了陣面上成百上千只冷板流量均勻分配的難度。

從試驗可知：兩相流冷板流量僅為單相液冷的1/5，對高發(fā)熱量的相控陣天線陣面而言，采用兩相流冷卻技術(shù)，可以較大程度地降低陣面總流量需求，減少陣面冷卻管網(wǎng)規(guī)模，有利于緊湊型陣面的結(jié)構(gòu)設計。

7 冷板重力方向?qū)ι嵝Ч挠绊?/h2>

重力方向也是影響兩相流冷板散熱效果的因素之一。本文針對T/R冷板不同的安裝角度進行了溫度測試和試驗研究，冷板的傾角范圍為0°～90°，冷板傾角變化試驗如圖11所示，測得的實驗結(jié)果如圖12所示。

圖11 冷板傾角變化試驗

圖12 溫差與冷板傾角變化關(guān)系

試驗結(jié)果表明：90°傾角的電阻溫度比0°傾角的低2 ℃～6 ℃以上；在低流量大干度(x= 0.47)的條件下，冷板傾角變化對發(fā)熱電阻溫度的影響大于大流量低干度條件下的影響。

從氣泡動力特性分析，當冷板水平放置時(熱源朝上，傾角為0°)，氣泡的生長與運動受到冷板流道壁面的垂直方面抑制。而在垂直放置(90°傾角)條件下，流道壁面的垂直方面抑制消失，有利于氣泡的生長與脫離，加快冷板流道受熱壁面補液與氣泡再生，提高了冷卻劑的有效蒸發(fā)速率，從而降低了冷板壁面的溫度。

8 結(jié)束語

本文采用兩相流冷卻技術(shù)，解決了第3代半導體功放芯片高熱流密度散熱的難題。通過分析冷板內(nèi)兩相流冷卻原理，設計了菱形翅片冷板以強化沸騰換熱。根據(jù)試驗結(jié)果，分析了兩相流的換熱性能以及冷卻劑干度和冷板傾角對電阻溫度的影響。冷板換熱性能試驗表明，兩相流冷卻方式是解決高熱流密度芯片散熱問題的極為有效的方式之一。

[1] WHELAN C S, KOLIAS N J. GaN technology for radars[C] // CS MANTECH Conference. Boston, USA. 2012.

[2] OHADI M. Thermal management of next generation low volume complex electronics[EB/OL]. (2003-05-13) [2016-07-22]. http: // www.vita.com / cool / pres / 0845-Ohadi.pdf.

[3] ELLSWORTH M J, Jr, SIMONS R E. High powered chip cooling: air and beyond [EB/OL]. (2005-08-01) [2016-07-26]. http: // www. Electronics-cooling. com.

[4] 鐵鵬, 李強, 宣益民. 陣列射流影響因素淺析[C]// 高熱流密度軍用雷達電子裝備熱設計方法學術(shù)討論會論文集.南京:《高熱流密度軍用雷達電子裝備熱設計方法研究》項目總體組, 2013.

[5] BAR-COHEN A, PM. Needs and future trends for enhanced phase-change heat transfer[C]// International Workshop on Micro and Nano Structures for Phase Change Heat Transfer. Dedham, USA: DARPA, 2013.

[6] KUSZEWSKI M, ZERBY M. Next generation Navy thermal management program[EB/OL]. [2016-07-10]. http://www.globalsecurity.org.

[7] PONNAPPAN R, DONOVAN B, CHOW L. High power thermal management issues in space-based systems[C] // Space Technology and Applications International Forum-STAIF2002. Albuquerque, USA. 2002.

[8] Air Force Research Laboratory. Physics-based dynamic modeling for two-phase cooling systems [EB/OL]. (2011-08-11)[2016-07-02]. http://www.afsbirsttr.com.

[9] KINNEY D, JOHNSTON A. Two-phase cooling meets the challenges of modern radar applications [EB/OL]. (2013-02-07)[2016-07-12]. http://www.mil-embedded.com.

[10] PENG X F. Micro transport phenomena during boiling[M]. 北京: 清華大學出版社, 2010.

[11] 林宗虎, 王樹眾, 王棟. 氣液兩相流和沸騰傳熱[M]. 西安: 西安交通大學出版社, 2013.

[12] LEE J, MUDAWAR I. Two-phase flow in high-heat-flux micro-channel heat sink for refrigeration cooling applications: part II heat transfer characteristics[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2005, 48(5): 941-955.

[13] 過增元, 黃素逸. 場協(xié)同原理與強化傳熱新技術(shù)[M]. 北京: 中國電力出版社, 2004.

孔祥舉(1975-)，男，高級工程師，主要從事相控陣雷達冷卻系統(tǒng)設計工作。

Research on Two-phase Flow Cooling Technology for Power Amplifier Chipwith High Heat Flux

KONG Xiang-ju，LI Li，QIAN Ji-yu，MEI Yuan，ZHANG Liang-juan，SUN Hua-dong

(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology,Nanjing210039,China)

The power amplifier chip is the most important heating electronic component of the modern radar and electronic warfare equipment. And the GaN chip is more and more widely used in the T/R module. Since high-power density of GaN chip constitutes a great challenge to thermal design, the two-phase flow cooling technology is discussed in this paper to solve the heat dissipation. The theory of two-phase flow cooling in the cold plate is introduced. A new method of enhancing boiling heat transfer by using rhombus channel is proposed and the heat transfer performance is tested. The results show that the new method is very effective and feasible and the two-phase flow cooling technology is a viable solution to heat dissipation of high heat flux electronics in the future.

GaN chip; high heat flux; two-phase flow cooling

2016-07-09

TK124

A

1008-5300(2016)04-0016-04