基于小通道形式的組件高效散熱方法

徐太棟

(中國船舶重工集團公司第七二四研究所，南京 211153)

0　引　言

隨著相控陣雷達GaN類高熱流密度芯片的大范圍應用，組件芯片熱流密度普遍達到了10 W/cm2以上，而傳統(tǒng)單通道冷板的散熱能力一般在2～10 W/cm2，難以適應高熱流密度組件散熱要求。因此，研究新型冷板形式對高熱流密度組件的推廣應用成為了技術關鍵點。[1]

此外，傳統(tǒng)單通道冷板多用氮氣保護釬焊加工成型，在長期使用過程中容易造成釬料腐蝕、冷卻液泄露燒毀設備等安全問題。所以，研究采用無釬料焊接技術進行冷板加工成型對提高雷達電子設備安全性能具有重要意義。

1　T/R組件散熱冷板現狀

經過國內外調查研究，以單相流回路冷卻方式解決10～70 W/cm2熱流密度散熱問題的冷板形式主要包括熱管冷板、微通道冷板、熱電制冷冷板和射流沖擊冷板等。上述冷板在應用中主要存在以下問題：

(1) 熱管冷板均溫性較好，但生產加工較復雜，且熱管僅能夠增強冷板的熱傳導，對制約冷板熱阻最明顯的對流換熱熱阻并沒有明顯改善；

(2) 微通道冷板對機械加工與焊接的要求較高，而且存在壓損較大的缺點，對冷卻液品質要求較高，容易發(fā)生堵塞；

(3) 熱電制冷冷板的總制冷量有限，受限于小型化與輕量化要求，熱電制冷技術難以適應總熱量高達數百瓦乃至上千瓦的制冷需求；

(4) 射流沖擊冷板能夠解決1 000 W/cm2級的超高熱流密度散熱問題，但結構較復雜，可靠性低，用來解決10～70 W/cm2量級散熱問題不經濟。

上述冷板中，結構形式最簡單的為微通道冷板。微通道冷板為單一材料加工而成，冷卻液在微通道中流動時不再遵守宏觀流體力學的規(guī)律(尤其是無滑移壁面條件)，屬于介觀流體動力學范疇。在微通道中，摩擦系數增大[2-3]，層流向湍流過渡的臨界雷諾數減小，且臨界雷諾數對實驗條件極為敏感。[4]對于長寬比較大的微通道冷板，目前公認能夠獲得100～400 W/cm2級的散熱能力。[5]

微通道冷板能夠獲得較高的散熱能力是因為其內部流動狀態(tài)能夠在較小雷諾數時過渡到湍流、邊界層熱阻被破壞、散熱面積大等原因。但是，細小的通道對整個冷卻系統(tǒng)的冷卻介質提出了較高的潔凈度要求，壓力損失大，加工、焊接0.6 mm以下的微通道槽成本較高，用來解決10～70 W/cm2量級散熱問題同樣存在不經濟的問題。

為解決10～70 W/cm2量級散熱問題、規(guī)避微通道冷板缺點，本文提出了小通道冷板的概念：流道由眾多的翅片與小通道組成。典型的結構形式如圖1所示。

小通道冷板具有以下特點：

(1) 冷板流道為2 mm左右，冷卻液流態(tài)遵守宏觀流體動力學規(guī)律，易于采用通用流體力學軟件進行流阻與傳熱分析、輔助冷板設計；

(2) 2 mm寬的流道也易于機械加工，普通數控機床即可完成加工，加工成本低；

(3) 小通道冷板的焊接成型采用擴散焊接技術，焊接質量好，且焊接過程中不使用釬料，避免了傳統(tǒng)單通道冷板使用過程中冷卻液腐蝕釬料造成漏液、短路燒毀設備的風險；

(4) 流道由眾多的翅片組成，翅片極大增大了對流換熱面積，提高了冷卻液的利用效率，與傳統(tǒng)的單通道冷板相比，小通道冷板一般能夠將對流換熱面積提高到10倍以上；

(5) 翅片增加了通道內的擾流，有效地破壞邊界層熱阻，提高對流換熱系數。

2　冷板熱阻網絡模型

功放(GaN芯片)熱量經過其內熱阻傳導到基板上，又經過基板熱阻傳導到冷板表面上，在冷板內經過冷板傳導熱阻傳導到水道壁面，再經過水道對流換熱熱阻傳導到水道內的冷卻介質中，最終由冷卻介質耗散至外界環(huán)境大氣熱沉。這是芯片熱量耗散的主要途徑。實際芯片的熱量耗散是通過圖2所示熱阻網絡實現的。

圖2中所示的3條熱流通路中：

(1) 與冷卻液強迫對流換熱相比，熱輻射向環(huán)境耗散的熱量很少，并不占主導部分，因此可以認為功放、蓋板表面的熱輻射效應很弱，在熱設計時不予考慮，熱阻網絡中的輻射熱阻視為無限大、熱輻射支路視為斷路。

(2) T/R組件蓋板與冷板夾層內的空氣Gr數很小，自然對流換熱效應很弱，對流換熱效果接近空氣的熱傳導效果，可以視為T/R內部空氣以熱傳導為主。由于空氣的熱傳導系數(0.0267 W/mK)非常低，因此蓋板與冷板夾層內的空氣是較好的隔熱材料，即認為圖2熱阻網絡中功放表面與蓋板內表面對流換熱熱阻無限大、空氣對流換熱支路視為斷路。

(3) 冷卻液與冷板的強迫對流熱阻較小，因此該條支路可以視為通路，冷板的熱設計優(yōu)化也主要從該支路入手。

小通道的截面特征尺寸一般都滿足l≥0.002 m，則根據式(1)：

(1)

式中L為冷卻介質平均分子自由程。對于常見介質，L多在10-9～10-10m量級。對于小通道流道，Kn數顯然滿足Kn>1，可以使用無滑移壁面條件[6]。

單通道與小通道冷板流道內的冷卻液流態(tài)一般處于層流入口段狀態(tài)，需要考慮層流入口段長度效應：

x=0.05PrReD

(2)

式中，Pr為冷卻液普朗特數，Re為流道內冷卻液流動的雷諾數，D為流道特征尺寸，x為層流入口效應段長度。

層流入口段的層流邊界層較稀薄，其邊界層熱阻較充分發(fā)展層流段的邊界層熱阻明顯偏小，因此在進行理論計算時不能直接使用充分發(fā)展的層流換熱計算公式，而應使用層流入口段的對流換熱計算公式[7]：

(3)

式中，l為水道長度，ηf為流體平均溫度下的動力粘度，ηw為水道壁面溫度下的冷卻液動力粘度，Nu為表征對流換熱的無量綱數。得到Nu數后即可計算出水道內的對流換熱系數等。由于單通道與小通道冷板均屬于宏觀流體力學范疇，因此以上計算方法適用于這兩種結構形式的冷板。對于本文研制的某T/R組件，當流道形式為單通道時，根據式(2)、(3)其內部對流換熱系數為

(4)

該冷板水道橫截面設計為4×7 mm，結合水道長度可以計算得到其總對流換熱面積為0.01 m2，則冷板內壁對流換熱熱阻為

(5)

由此可知，當功放總熱量為320 W時，水道內壁對流換熱溫升應為32.9 ℃。功放與冷板間的接觸熱阻為6.4 ℃，冷板的傳導熱阻為5.2 ℃，則從入口冷卻介質到功放的溫升應為44.5 ℃。

3　數值仿真與試驗驗證

為了將理論計算、數值仿真與試驗驗證三者結合，本文對某組件進行了數值模擬與試驗驗證(入口冷卻介質取30 ℃，流量1.6 L/min，接觸熱阻通過查表計算后添加)。數值仿真基于Fluent進行，采用結構與非結構混合網格，質量守恒方程、動量守恒方程的離散采用二階迎風格式。

如圖3所示，熱源安裝法蘭處的最高溫度為76.4 ℃，相對于入口冷卻介質溫升為46.4 ℃，與理論計算結果44.5 ℃相差4.1%。

結合理論計算與數值仿真，還對該單通道T/R組件進行了散熱試驗(供液流量1.6 L/min，供液溫度26 ℃)，采用紅外溫度熱像儀測得了功放表面的溫度分布云圖如圖4所示。試驗表明，單通道組件熱源溫升(相對于入口冷卻介質溫度)為46.1 ℃。

理論分析、數值仿真與試驗三者說明單通道冷板的熱阻溫升為46.1 ℃左右，其中對流換熱熱阻導致的溫升達到了33 ℃。對流換熱熱阻是造成單通道冷板溫升居高不下的主要原因。

4　小通道冷板設計與驗證

為了解決單通道冷板散熱能力不足的問題，本文針對上述組件設計、制造了小通道冷板。兩種冷板外形、材料、熱源均相同，僅內部流道結構形式不同。圖5所示為小通道冷板組件，其內部水道結構如圖6所示。

該組件內部水道分為多條分支，每條分支內部均有翅片將水道分隔成為小通道，在并行小通道較多處采用變截面法實現通道間的流量平均。小通道冷板在焊接前加工出內部水道，然后采用擴散焊特種焊接工藝完成焊接。

本文對于供液溫度為30 ℃的情況進行了熱仿真，仿真結果如圖7所示。溫度最高的芯片相對于冷卻介質溫升為34.5 ℃。

試驗測量了功放的溫度，如表1所示(正常水流量1.6 L/min、供液壓力0.07 Mpa)。

表1　功放溫度試驗結果(℃)

最高溫升仿真值為34.5 ℃，試驗值為33.4 ℃。仿真與試驗說明：

(1) 小通道冷板相對于單通道冷板，將熱源芯片的溫升從46.1 ℃降低到了33.4 ℃，降低了熱源溫升12.7 ℃，明顯改善了組件散熱效果；

(2) 基于宏觀流體力學與傳熱學的CFD仿真方法依然適用于小通道冷板的熱仿真計算。

在后續(xù)的工程實踐中，基于本文小通道冷板設計方法及改進技術，成功解決了熱流密度為30 W/cm2的T/R組件散熱問題，以及熱流密度為70 W/cm2的數字子陣單元散熱問題。上述兩個工程實例已進行熱設計性能試驗，組件工作穩(wěn)定。試驗結果表明小通道冷板能夠有效解決10～70 W/cm2的散熱問題，冷板散熱性能穩(wěn)定可靠。

5　結　論

本文通過研究、設計小通道形式的新型冷板得到了以下結論：

(1) 目前已有試驗表明，小通道冷板能夠有效解決10～70 W/cm2的組件散熱問題(傳統(tǒng)單通道冷板散熱能力為2～10 W/cm2)，顯著提高了冷板散熱性能，能夠滿足相控陣雷達GaN類功放的散熱需求。

(2) 小通道冷板流道內冷卻介質流態(tài)服從宏觀流體力學與傳熱學規(guī)律，不需要使用介觀或微觀流體力學(滑移壁面條件[8])進行分析計算。當通道尺寸、流態(tài)滿足克努森數條件時，無滑移壁面條件是完全適用于小通道組件仿真計算的。

(3) 相對于微通道冷板，小通道冷板具有壓力損失小、不易堵塞的優(yōu)點，在熱流密度為10 W/cm2量級時小通道冷板相對于微通道冷板更加經濟適用。

6　結束語

本文提高冷板散熱能力主要是從冷板對流換熱這條熱流通路入手的，從風冷板到傳統(tǒng)單通道液冷板提高的是對流換熱系數，從單通道冷板到小通道冷板則是通過增加對流換熱面積、增強冷板內擾動、破壞邊界層熱阻實現的。在后續(xù)的研究中，將著眼于降低冷板傳導熱阻與界面間接觸熱阻、提高小通道的翅片利用效率，以及研究小通道的截面形式[9-10]與孔隙率對散熱性能影響等方面[11]。