某數(shù)字T/R組件液冷冷板的改進(jìn)設(shè)計(jì)*

劉曉紅，江 建

(北京無線電測(cè)量研究所， 北京 100854)

某數(shù)字T/R組件液冷冷板的改進(jìn)設(shè)計(jì)*

劉曉紅，江 建

(北京無線電測(cè)量研究所， 北京 100854)

文中針對(duì)某數(shù)字T/R組件出現(xiàn)的局部過熱問題，對(duì)原有液冷冷板進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。組件加工工藝由傳統(tǒng)的銑削加工改為一體壓鑄成型，冷板流道改為銅管嵌裝結(jié)構(gòu)，并引入微通道散熱技術(shù)，分別設(shè)計(jì)直齒微通道散熱模塊和菱形柱微通道散熱模塊。測(cè)試結(jié)果表明：微通道散熱模塊對(duì)散熱效果改善明顯，可解決局部過熱問題；引入微通道散熱模塊后冷板流阻有所增加，但在允許范圍內(nèi)；菱形柱微通道散熱模塊由于邊界層重新發(fā)展和二次流的產(chǎn)生，散熱效果比直齒微通道散熱模塊好，熱流密度越高，改善效果越明顯。文中數(shù)字T/R組件最終選用直齒微通道散熱模塊的流道結(jié)構(gòu)。菱形柱微通道散熱技術(shù)可在更高熱流密度的情況下應(yīng)用。

T/R組件；液冷冷板；微通道；菱形柱

引 言

超大規(guī)模集成電路的飛速發(fā)展，使得電子器件單位表面積上產(chǎn)生的熱量急劇增加，這給電子器件的熱設(shè)計(jì)工作帶來嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)[1-2]。尤其軍用雷達(dá)、武器系統(tǒng)等，由于工作環(huán)境惡劣、可靠性要求高、體積小、重量輕，對(duì)電路的集成度和熱設(shè)計(jì)的要求更加嚴(yán)格，微通道散熱器應(yīng)運(yùn)而生[3-4]。微通道散熱器的特點(diǎn)是：1)散熱齒間距小，齒間流體邊界層很薄，利于冷卻液與散熱齒的換熱；2)單位體積的換熱面積大，起到強(qiáng)化換熱的效果。微通道散熱技術(shù)對(duì)解決高集成電子設(shè)備的散熱問題，提高微電子設(shè)備的性能和可靠性起到重要的推動(dòng)作用[5-6]。

近年來，有國(guó)外學(xué)者開展了菱形柱微通道散熱技術(shù)的研究工作，在2個(gè)主流道之間建立1個(gè)小通道，在壓差驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生二次流動(dòng)，破壞邊界層，提高散熱效果。菱形柱微通道技術(shù)已應(yīng)用于高功率電機(jī)散熱、鋰離子電池散熱、IGBT散熱等[7-9]。本文針對(duì)某數(shù)字T/R組件

的局部過熱問題，分析過熱原因，對(duì)組件冷板和流道結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，并試驗(yàn)驗(yàn)證散熱效果。

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)，包含以下幾部分：組件殼體、組件上下蓋板、供液口、出液口、液冷冷板、T/R模塊(2個(gè))。液冷冷板位于機(jī)箱的中間位置，既是電子元件的安裝載體同時(shí)又起到為電子設(shè)備散熱的作用。數(shù)字T/R組件內(nèi)的主要熱源為2個(gè)T/R模塊。T/R模塊安裝在冷板正面，每個(gè)T/R模塊內(nèi)部包含1個(gè)微波功率管。

圖1 數(shù)字T/R組件

如圖2(a)所示，微波功率管的銅載板焊接在T/R模塊底板上，螺釘穿過T/R模塊底板將微波功率管與組件液冷冷板相連，起到加固的作用。微波功率管的結(jié)構(gòu)尺寸如圖2(b)所示。

圖2 微波功率管

如圖3所示，冷板內(nèi)部流道為U形通道，冷卻液流經(jīng)各發(fā)熱元件對(duì)應(yīng)的冷板區(qū)域，將熱量帶走。在與微波功率管對(duì)應(yīng)的位置，增加了流道寬度，并且在流道內(nèi)生長(zhǎng)3個(gè)凸臺(tái)，旨在增加換熱面積，提高散熱效果。

圖3 組件內(nèi)冷板流道

2 問題描述

在系統(tǒng)調(diào)試過程中，數(shù)字T/R組件出現(xiàn)停止工作的現(xiàn)象。經(jīng)過故障定位發(fā)現(xiàn)，原因是T/R模塊內(nèi)部的微波功率管溫度過高觸發(fā)過熱保護(hù)程序。測(cè)試數(shù)據(jù)顯示，在冷卻液流量2 L/min、供液溫度20 ℃條件下，距離功率管最近的T/R模塊底板上的測(cè)點(diǎn)溫度在未達(dá)到熱平衡時(shí)已超過90 ℃。為避免功率管燒壞，只能停止試驗(yàn)，而微波功率管的熱設(shè)計(jì)要求是：安裝面溫度低于90 ℃。

分析微波功率管過熱的原因：

1)冷卻液流量為2 L/min，與功率管安裝位置對(duì)應(yīng)的流道內(nèi)冷卻液平均流速為0.247 m/s，流速過低。

2)與功率管安裝位置對(duì)應(yīng)的流道內(nèi)僅有3個(gè)凸臺(tái)，散熱面積不足。

3)冷板與冷卻液的換熱主要發(fā)生在靠近冷板表面的薄層內(nèi)，而流道高度為9 mm，導(dǎo)致冷卻液與冷板換熱不充分。

4)冷卻液由供液口到出液口共經(jīng)過4個(gè)直角轉(zhuǎn)彎，增加了冷板流阻。

3 冷板改進(jìn)設(shè)計(jì)

3.1 改進(jìn)加工工藝

原設(shè)計(jì)組件的加工流程為：用金屬厚料銑削加工出組件大體框架，在組件中間的筋板上銑出流道形狀，再釬焊流道蓋板。大面積釬焊不僅成本高，而且會(huì)增加冷卻液泄露的風(fēng)險(xiǎn)。為降低成本、提高流道承壓能力和耐腐蝕性，冷卻液流道采用紫銅管嵌入冷板的結(jié)構(gòu)形式，避免冷板鋁合金材料與冷卻液直接接觸。紫銅材料耐蝕性優(yōu)良，能夠保證系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定工作。

雷達(dá)系統(tǒng)的數(shù)字T/R組件數(shù)量達(dá)200個(gè)，組件結(jié)構(gòu)采用壓鑄工藝，比厚料加工對(duì)降低成本更有優(yōu)勢(shì)。為提高組件經(jīng)濟(jì)性和生產(chǎn)效率，組件結(jié)構(gòu)主體的加工工藝改為鋁合金壓鑄。組件框架及各種輔助功能結(jié)構(gòu)均采用一次壓鑄成型。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)，比常規(guī)壓鑄鋁高一倍，可大幅提高鑄造冷板的傳熱性能。

改進(jìn)后組件的加工流程為：首先將紫銅管按照設(shè)計(jì)彎曲成型，利用專用工裝夾具將流道固定，最后與組件框架一起壓鑄成型。

3.2 引入微通道散熱技術(shù)

T/R模塊內(nèi)的微波功率管熱負(fù)荷為150 W，熱流密度高達(dá)48 W/cm2。常規(guī)的蛇形流道已不能滿足散熱要求，需要引入微通道散熱技術(shù)，設(shè)計(jì)散熱效果更好的流道結(jié)構(gòu)。微通道散熱器一方面增加了冷卻液與冷板的換熱面積；另一方面微通道內(nèi)流體邊界層變得很薄，兩個(gè)方面都大大提高了散熱效果。

考慮到微通道散熱器的流阻較大，并且數(shù)字T/R組件內(nèi)只有2個(gè)微波功率管集中發(fā)熱，將流道設(shè)計(jì)成銅管與微通道散熱模塊相結(jié)合的結(jié)構(gòu)形式，如圖4所示。微通道散熱模塊嵌裝在與微波功率管對(duì)應(yīng)的位置，解決局部高熱流密度的散熱問題。

3.3 設(shè)計(jì)微通道散熱模塊

如圖5所示，微通道散熱模塊包括模塊腔體和上蓋板2部分，微通道散熱器與模塊上蓋板為一體式結(jié)構(gòu)，再與模塊腔體釬焊在一起。微通道散熱器選用紫銅加工而成。內(nèi)含微波功率管的T/R模塊直接安裝在微通道散熱模塊的上蓋板上。

圖5 微通道散熱模塊

針對(duì)微波功率管的散熱要求，設(shè)計(jì)2種微通道散熱器：直齒散熱器和菱形柱散熱器。直齒散熱器設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，易于加工，缺點(diǎn)是齒間邊界層充分發(fā)展、流動(dòng)穩(wěn)定，散熱器后段的散熱效果不理想。菱形柱散熱器的設(shè)計(jì)理念是在2個(gè)主流道之間建立一定角度的小通道結(jié)構(gòu)，通過壓差驅(qū)動(dòng)不斷產(chǎn)生二次流動(dòng)，破壞熱邊界層，提高散熱效果，缺點(diǎn)是設(shè)計(jì)難度大、加工成本高、二次流通道結(jié)構(gòu)易堵等。

直齒和菱形柱微通道散熱模塊的外形結(jié)構(gòu)與安裝接口完全一致。散熱模塊外形尺寸：50mm ×30 mm × 13.5 mm。采用仿真分析優(yōu)化模塊內(nèi)散熱齒幾何尺寸。優(yōu)化后的直齒微通道散熱模塊幾何參數(shù)：齒高9 mm，齒厚0.8 mm，齒間距1.2 mm，齒長(zhǎng)30 mm。優(yōu)化后的菱形柱微通道散熱模塊幾何參數(shù)：棱柱高9 mm，棱柱長(zhǎng)2 mm，棱柱厚1 mm，棱柱夾角30°，沿流向棱柱間距0.5 mm，垂直流向棱柱間距1 mm。

改進(jìn)后的T/R組件冷板流道結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 改進(jìn)后的T/R組件冷板流道

為降低接觸熱阻和保證可維護(hù)性，在T/R模塊底板與液冷冷板之間墊有導(dǎo)熱系數(shù)75 W/(m·K)、厚度0.1 mm的金屬銦片。

4 試驗(yàn)測(cè)試

4.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)系統(tǒng)如圖7所示。水冷機(jī)可提供指定溫度、流量的冷卻液，冷卻液從水冷機(jī)流出后進(jìn)入測(cè)試對(duì)象的冷板，吸收熱量后返回水冷機(jī)重新被冷卻，完成一個(gè)循環(huán)。壓力傳感器布置在測(cè)試對(duì)象的進(jìn)口管路上，測(cè)量冷卻液進(jìn)口壓力。壓差傳感器布置在測(cè)試對(duì)象進(jìn)出口管路之間，測(cè)量冷板流阻。溫度傳感器分別布置在測(cè)試對(duì)象進(jìn)出口管路內(nèi)，測(cè)量冷卻液的進(jìn)出口溫度。其余溫度傳感器用于測(cè)量發(fā)熱器件(模擬熱源)和冷板表面的溫度。所有溫度、壓力、流量傳感器測(cè)量的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)采集儀器采集，并輸出到數(shù)據(jù)處理儀器上，數(shù)據(jù)處理儀器可以實(shí)時(shí)顯示、記錄并處理數(shù)據(jù)。

圖7 試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

4.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)中，采用匯聚法設(shè)計(jì)模擬熱源，模擬微波功率管的發(fā)熱量。模擬熱源由金屬塊、電加熱管和保溫裝置組成。如圖8所示，金屬塊設(shè)計(jì)為凸形結(jié)構(gòu)，與液冷冷板的安裝接口均與真實(shí)的微波功率管保持一致。2根Φ6 mm電加熱管插入金屬塊的圓孔內(nèi)，在電加熱管與金屬塊之間灌封高導(dǎo)熱系數(shù)的導(dǎo)熱硅膠，保證電加熱管的熱量快速傳遞，避免由于熱量堆積導(dǎo)致的電加熱管爆裂。在金屬塊的外側(cè)包裹保溫材料，避免熱量散失，確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

圖8 模擬熱源

試驗(yàn)中，采用2根電加熱管并聯(lián)模擬1個(gè)微波功率管的發(fā)熱量。電加熱管內(nèi)部為燒結(jié)的金屬粉末。測(cè)試發(fā)現(xiàn)，電加熱管的電阻隨溫度變化而變化，為準(zhǔn)確測(cè)量發(fā)熱量，在電路中串聯(lián)1個(gè)1 Ω標(biāo)準(zhǔn)電阻，加熱電路如圖9所示。試驗(yàn)中，測(cè)量交流調(diào)壓器的輸出電壓U，測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)電阻兩端的電壓U1，計(jì)算電加熱管的發(fā)熱量P= (U-U1) ×U1。

圖9 加熱電路

4.3 試驗(yàn)條件

1)冷卻液為水；

2)冷卻液流量2 L/min；

3)供液溫度20 ℃；

4)試驗(yàn)室環(huán)境溫度28 ℃。

4.4 試驗(yàn)工況

工況1：原設(shè)計(jì)液冷冷板；

工況2：采用直齒微通道散熱模塊的液冷冷板；

工況3：采用菱形柱微通道散熱模塊的液冷冷板。

4.5 測(cè)試結(jié)果及分析

測(cè)試結(jié)果見表1。

表1 測(cè)試結(jié)果

分析測(cè)試數(shù)據(jù)：

1)對(duì)比工況1和工況2，采用直齒微通道散熱模塊，2個(gè)模擬熱源的溫度與原設(shè)計(jì)液冷冷板相比分別下降34.4 ℃和28 ℃，散熱效果改善明顯。流阻增加0.04 bar，約15%。

2)對(duì)比工況1和工況3，采用菱形柱微通道散熱模塊，2個(gè)模擬熱源的溫度與原設(shè)計(jì)液冷冷板相比分別下降42.4 ℃和34.1 ℃，散熱效果改善明顯。流阻增加0.07 bar，約26%。

3)對(duì)比工況2和工況3，采用菱形柱微通道散熱模塊，2個(gè)模擬熱源的溫度與采用直齒微通道散熱模塊相比分別降低8 ℃和6.1 ℃，散熱效果有所改善。流阻增加0.03 bar，約10%。

4)采用微通道散熱模塊的2種液冷冷板均滿足微波功率管的散熱要求，冷板流阻也滿足低于0.8 bar的設(shè)計(jì)要求。

綜合考慮成本、加工、可靠性、成熟度等因素，最終選取采用直齒微通道散熱模塊的液冷冷板。

5 結(jié)束語

本文針對(duì)某數(shù)字T/R組件在調(diào)試中出現(xiàn)的過熱問題，分析過熱原因，綜合考慮散熱效果、經(jīng)濟(jì)性、安全性和可維修性，設(shè)計(jì)銅管與微通道散熱模塊相結(jié)合的流道結(jié)構(gòu)，流道與組件框架一體壓鑄成型。測(cè)試結(jié)果表明：改進(jìn)設(shè)計(jì)后的2種液冷冷板均滿足微波功率管的散熱要求；微通道散熱模塊對(duì)散熱效果改善明顯；引入微通道散熱模塊導(dǎo)致液冷冷板的流阻有所增加，但在允許范圍內(nèi)。為節(jié)約成本和避免過設(shè)計(jì)，數(shù)字T/R組件最終選用直齒微通道散熱模塊的流道結(jié)構(gòu)。

菱形柱微通道散熱器由于邊界層重新發(fā)展和不斷產(chǎn)生二次流，散熱效果比直齒微通道散熱器好，熱流密度越高，改善效果越明顯。缺點(diǎn)是設(shè)計(jì)難度大、加工成本高，可在熱流密度更高的情況下推廣應(yīng)用。

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

Optimization Design of Liquid Cold Plate for a T/R Module

LIU Xiao-hong，JIANG Jian

(BeijingInstituteofRadioMeasurement,Beijing100854,China)

To solve the overheat problem in local area of a T/R module, improvements design is carried out for the original liquid cold plate. The T/R module cabinet is processed using die-casting instead of milling. Cold plate flow channel adopts copper-pipe embedded structure. Mini-channel cooling technique is introduced, continuous fins and oblique fins are used in mini-channel heat sink. Experimental investigation demonstrates that the mini-channel heat sink results in a much improved heat transfer performance, overheat problem can be solved; cold plate flow resistance increases when using mini-channel heat transfer enhancement scheme, but it is within the acceptable range; the combination of boundary layers re-development and secondary flows generation in oblique fins mini-channel heat sink causes improved heat transfer performance comparing to continuous fins, and the improvement effects is more obvious when the heat flux is more high. Continuous fins mini-channel is adopted for the T/R module in this paper. Oblique fins mini-channel technique can be widely used in cold plate with higher heat flux.

T/R module; liquid cold plate; mini-channels; oblique fins

2016-06-30

TK124

A

1008-5300(2016)04-0023-04