一種高效功放散熱器的設(shè)計(jì)

謝明君

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0 引言

微波固態(tài)放大器是軍事通信、電子對(duì)抗系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，直接決定了通信、干擾系統(tǒng)的指標(biāo)高低。隨著半導(dǎo)體及集成電路技術(shù)的發(fā)展，通信對(duì)抗系統(tǒng)不斷向小型、輕便和節(jié)能方向發(fā)展[1]，帶來越來越高的熱流密度。功率管對(duì)溫度敏感，超過臨界溫度不僅會(huì)使功放指標(biāo)惡化，還會(huì)大大降低設(shè)備的使用壽命。固態(tài)功放的高效散熱器設(shè)計(jì)是功放熱設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

高效散熱器的研究主要集中在散熱器結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、散熱器鋁銅結(jié)合設(shè)計(jì)[2]以及熱管、VC均溫板等兩相流高效傳熱技術(shù)等方面。文獻(xiàn)[3]論述了型材散熱器三維穩(wěn)態(tài)流場和溫度場數(shù)值計(jì)算方法并進(jìn)行了試驗(yàn)研究，文獻(xiàn)[4]分析了肋片式散熱器在自然散熱和強(qiáng)迫風(fēng)冷條件下的性能特性，文獻(xiàn)[5-7]論述了熱管傳熱特性以及數(shù)值模擬方法，文獻(xiàn)[8-10]論述了VC均溫板的傳熱特性以及數(shù)值模擬方法。熱管及VC均溫板多用于提高散熱器一維以及二維方向上的導(dǎo)熱能力。本文提出的內(nèi)嵌VC均溫板且熱管折彎貫穿肋片的高效散熱器，將高效導(dǎo)熱能力擴(kuò)展到三維尺度，采取的加工工藝可根據(jù)產(chǎn)品散熱功率的大小靈活增減散熱器肋片的層數(shù)，具有良好的擴(kuò)展性及廣泛的應(yīng)用場景。

1 問題描述

某型大功率固態(tài)功放在使用過程中經(jīng)常出現(xiàn)掉功率和死機(jī)的故障。經(jīng)測試，在55 ℃環(huán)境溫度時(shí)，功率管殼溫最高為98.5 ℃，接近臨界點(diǎn)(100 ℃)，因此導(dǎo)致該故障。要求在不改變結(jié)構(gòu)布局的情況下，對(duì)功放散熱設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，降低工作時(shí)的溫度，提高可靠性。

固態(tài)功放分機(jī)采用強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱，結(jié)構(gòu)布局如圖1所示，釬焊成型的鋁合金3層肋片散熱器位于機(jī)箱中部，散熱器尺寸為435 mm(寬)×111 mm(高)×544 mm(深)，前面板對(duì)應(yīng)肋片位置開通風(fēng)孔，后面板相應(yīng)位置安裝2個(gè)Ebm-papast 6424h風(fēng)機(jī)，散熱器中間的3層肋片作為風(fēng)道。8個(gè)末級(jí)模塊分別安裝在散熱器的正反面底板上，單個(gè)模塊內(nèi)部包含4個(gè)功率管，單個(gè)功率管熱功耗為70 W，整機(jī)熱功耗2 240 W。末級(jí)模塊盒體材料為鋁合金5A06，功率管底座涂抹導(dǎo)熱硅脂通過螺釘安裝在盒體底板，盒體底板厚度為10 mm，盒體底板涂抹導(dǎo)熱硅脂通過螺釘安裝在散熱器正反面底板上，芯片結(jié)溫要求不超過200 ℃，節(jié)殼熱阻為1.4 ℃/W，要求控制功率管殼溫不高于100 ℃。

圖1 固態(tài)功放分機(jī)結(jié)構(gòu)布局

2 問題分析

功放分機(jī)內(nèi)部熱源的熱傳遞分析如圖2所示，熱源為32個(gè)功率管，單個(gè)功率管安裝底座尺寸為22 mm×10 mm，熱流密度達(dá)到了31.8 W/cm2。散熱方式為強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱。主要傳熱路徑為功率管—底板—散熱器—機(jī)箱外部大氣熱沉，還有小部分熱量通過功率管、盒體以及機(jī)箱外殼對(duì)大氣熱沉的對(duì)流和輻射方式進(jìn)行傳遞。

圖2 熱傳遞分析

在主要傳熱路徑上，功率管和盒體底板以及盒體底板到散熱器之間熱量傳遞主要以熱傳導(dǎo)的方式進(jìn)行，遵循傅里葉定律，即

(1)

從式(1)可以看出，傳遞熱量一定時(shí)，降低溫度梯度需要提高材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)和傳熱面積。此外還需要降低由于2個(gè)接觸面存在空氣間隙而產(chǎn)生的接觸熱阻[11]。擬采取的措施如下：

① 將盒體底板的材料由鋁合金5A06更換為紫銅；

② 將功率管與盒體底板之間的安裝方式由螺接改為焊接，焊接面的換熱系數(shù)可達(dá)100 kW/m2k；

③ 增大盒體底板光潔度，盒體底板與散熱器底板之間的界面材料使用銦片[12]替代導(dǎo)熱硅脂，并增大盒體底板與散熱器之間的安裝壓力。

大部分熱量最終是通過散熱器傳遞給機(jī)箱外部大氣熱沉的，熱量由散熱器底板傳遞至散熱器肋片，由散熱器肋片通過與空氣的熱對(duì)流傳遞至大氣熱沉，熱對(duì)流遵循牛頓冷卻定律，即

Q=A·h·Δt，

(2)

式中，A為對(duì)流換熱面積；h為對(duì)流換熱熱系數(shù)；Δt為散熱器與空氣之間的溫差。

從式(2)可以看出，傳遞熱量一定時(shí)，提高h(yuǎn)和A可降低Δt，進(jìn)而最終降低功率管的溫度。設(shè)定環(huán)境溫度為55 ℃，采用ANSYS-Icepak軟件對(duì)功放分機(jī)現(xiàn)有散熱方案進(jìn)行熱仿真，熱仿真溫度云圖如圖3所示，功率管殼溫最高為97.6 ℃，現(xiàn)有的鋁合金3層散熱器溫度分布十分不均勻，散熱器底板表面最大溫差達(dá)到30 ℃，散熱器中間層肋片溫度為55～62 ℃，與空氣最大溫差僅為7 ℃。仿真顯示功率管的殼溫達(dá)到了97 ℃，已經(jīng)十分接近臨界溫度100 ℃。

圖3 原方案熱仿真溫度云圖

散熱器的對(duì)流換熱面積達(dá)到了8.41 m2，且2個(gè)風(fēng)機(jī)的理論最大風(fēng)量達(dá)到了960 m3/h，提高風(fēng)速和肋片換熱面積對(duì)于功率管溫度下降意義已經(jīng)不大，瓶頸在于散熱器本身的熱阻過大，產(chǎn)生了較大的溫度梯度，減小散熱器底板到達(dá)散熱器肋片之間的熱阻是解決問題的關(guān)鍵。

更換導(dǎo)熱率更高的材料是降低散熱器熱阻的常見做法，紫銅密度是鋁合金的3倍，如果更換為紫銅，將使散熱器重量增加61 kg，這個(gè)重量是無法接受的。目前散熱器的問題在于X，Y平面溫度均勻性較差以及中間層肋片和上下兩層肋片之間存在較大溫差。不改變結(jié)構(gòu)布局的情況下引入熱管和VC均溫板是降低散熱器熱阻的有效措施。

熱管作為一種高效傳熱元件，具有極高的導(dǎo)熱性、高散熱效率等特點(diǎn)[13]，通過熱管的超導(dǎo)熱特性使局部熱源產(chǎn)生的熱量快速擴(kuò)展到離熱源更遠(yuǎn)的散熱區(qū)域[14]。散熱器里內(nèi)嵌熱管的工藝，現(xiàn)在已較為成熟，可加工成各種形狀和尺寸。

相變均溫板為平板狀結(jié)構(gòu)，內(nèi)部加工為蒸汽腔(Vapor Chamber，VC)充填工質(zhì)，通過工質(zhì)的蒸發(fā)和冷凝將熱量擴(kuò)散到整個(gè)均溫板的表面，從而降低熱流密度[15]。從外形結(jié)構(gòu)上看均溫板與熱管非常相似，不同的是熱管的一端為蒸發(fā)段，另一端為冷卻段，只能進(jìn)行單向熱傳輸，而均溫板則一面為蒸發(fā)面，相對(duì)面(或包含其余各側(cè)面)為冷卻面，可以實(shí)現(xiàn)全向熱傳輸，因此具有優(yōu)越的均溫性和熱運(yùn)輸能力[16]。

綜上所述，設(shè)計(jì)高效散熱器上下底板內(nèi)嵌VC均溫板，提高X，Y方向的溫度均勻性，將熱管一端埋入散熱器上層或下層肋片，另一端埋入散熱器中間層的肋片，提高散熱器Y方向的溫度均勻性。

將改進(jìn)方案進(jìn)行建模仿真，仿真結(jié)果如圖4所示，可以看出通過VC的高導(dǎo)熱率，散熱器底板的溫度最大溫差為8 ℃，散熱器中間層肋片為60～64 ℃，大大提高了散熱器的溫度一致性，功率管最高殼溫表面為84.6 ℃，比現(xiàn)有產(chǎn)品降低了13.9 ℃。

圖4 改進(jìn)方案熱仿真溫度云圖

3 高效散熱器工藝流程

3.1 高效散熱器工藝難點(diǎn)

高效散熱器由上下底板、中間肋片、中間隔板內(nèi)嵌VC均溫板以及折彎熱管通過多次焊接加工而成，工藝難點(diǎn)如下：

① 該散熱器中均溫板尺寸較大(435 mm×544 mm)，常規(guī)尺寸均溫板的燒結(jié)工藝不再適用，需進(jìn)行工藝升級(jí)，重新定制模具并摸索燒結(jié)參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)大尺寸薄壁毛細(xì)芯的生產(chǎn)；

② 大尺寸均溫板燒結(jié)及焊接過程中的變形幅度較大，校形難度大；

③ 該方案需進(jìn)行3次不同類型的焊接，對(duì)焊接工藝參數(shù)的控制要求較高；

④ 折彎后的肋片較軟，在肋片上打孔難度較大。

3.2 高效散熱器工藝流程

經(jīng)過多次試驗(yàn)和工藝摸索，成了內(nèi)嵌均溫板并熱管貫穿肋片的散熱器，具體過程不在此展開論述，工藝流程如下：

① 鋁合金下料，加工均溫板毛坯、蓋板和隔板；

② 肋片折彎成型；

③ 銑加工均溫板腔體、注液口及支撐柱；

④ 鋁粉燒結(jié)毛細(xì)結(jié)構(gòu)；

⑤ 均溫板腔體與蓋板焊接(真空擴(kuò)散焊)；

⑥ 焊后校形，熱處理；

⑦ 均溫板、隔板與3層肋片焊接(真空釬焊)；

⑧ 焊后校形，熱處理；

⑨ 加工熱管槽；

⑩ U形熱管折彎；

4 測試驗(yàn)證

加工完成的高效散熱器樣件如圖5所示，采用四川永星電子有限公司(893廠)的RFG224雙引線微波功率負(fù)載電阻器對(duì)熱源進(jìn)行模擬。調(diào)節(jié)輸入電源使熱功率滿足要求，采用TP9000熱電偶測溫儀對(duì)溫度進(jìn)行測試，測試點(diǎn)為功率管安裝底座和負(fù)載電阻安裝底座，選取靠近風(fēng)扇的2個(gè)末級(jí)模塊上的8個(gè)功率管作為測試點(diǎn)，如圖6所示。

圖5 高效散熱器樣件

圖6 熱模擬實(shí)驗(yàn)測試

半導(dǎo)體器件每下降10 ℃，可靠性提高1倍[17]。測試數(shù)據(jù)及對(duì)比結(jié)果如表1所示，8個(gè)測試點(diǎn)溫度均有下降，下降最低的為11.1 ℃，下降最高的為15.5 ℃。測試結(jié)果說明高效散熱器對(duì)降低功放模塊溫度，提高產(chǎn)品可靠性具有顯著的效果。

表1 測試數(shù)據(jù)對(duì)比 ℃

5 結(jié)束語

某型功放分機(jī)具有功率管數(shù)量多、整機(jī)熱功耗大和功率管熱流密度大的特點(diǎn)，本文對(duì)現(xiàn)有散熱方案的熱傳遞路徑和影響因素進(jìn)行了分析，改進(jìn)了末級(jí)模塊盒體底板以及功率管的安裝方式，設(shè)計(jì)了內(nèi)嵌均溫板并熱管貫穿肋片的高效散熱器，對(duì)高效散熱器的工藝難點(diǎn)和工藝流程進(jìn)行了論述，對(duì)改進(jìn)后的散熱方案進(jìn)行了仿真模擬，制作了高效散熱器進(jìn)行熱模擬試驗(yàn)。測試數(shù)據(jù)表明，在環(huán)境溫度為55 ℃條件下，相比現(xiàn)有方案，功率管殼溫最高降低了15.5 ℃，優(yōu)化后的散熱方案合理可行，滿足了功放長期可靠運(yùn)行的要求，在同類相似產(chǎn)品中具有廣泛的應(yīng)用前景。