基于小人法的MCM散熱設(shè)計(jì)與仿真分析

徐曉婷，王 萌，李文強(qiáng)

（1.成都飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，成都 610000；2.中國電子科技集團(tuán)第29研究所，成都 610000；3. 四川大學(xué) 制造科學(xué)與工程學(xué)院，成都 610065）

0 引言

隨著新技術(shù)和新器件的不斷應(yīng)用，航空機(jī)載雷達(dá)已逐漸成為一種復(fù)雜的電子集成系統(tǒng)，其電子設(shè)備組件的結(jié)構(gòu)不斷向小型化發(fā)展，同時(shí)各種電氣元器件間的集成度也越來越高，成為典型的多芯片組件集成系統(tǒng)。該系統(tǒng)工作過程中會(huì)釋放大量熱，從而導(dǎo)致整個(gè)雷達(dá)系統(tǒng)的散熱量越來越大，熱流密度會(huì)倍增長(zhǎng)。另一方面，由于航空機(jī)載相控陣?yán)走_(dá)作為一種敏感設(shè)備，其中高密度集成的許多電子元器件對(duì)高溫環(huán)境較為敏感，其在一般雷達(dá)所能允許的高溫區(qū)環(huán)境條件下往往達(dá)不到應(yīng)有的電性能指標(biāo)。因此，針對(duì)具有高密度集成組件的航空機(jī)載雷達(dá)的熱設(shè)計(jì)與常規(guī)雷達(dá)的散熱設(shè)計(jì)有較大區(qū)別，也較常規(guī)雷達(dá)的散熱設(shè)計(jì)更具復(fù)雜性和挑戰(zhàn)性。如何有效解決航空機(jī)載雷達(dá)系統(tǒng)中高密度集成組件熱設(shè)計(jì)問題，已是直接影響著整個(gè)航空機(jī)載雷達(dá)系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性和可靠性的關(guān)鍵問題，也是目前機(jī)載雷達(dá)系統(tǒng)研究的熱點(diǎn)。

目前國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)和學(xué)者已從散熱結(jié)構(gòu)和散熱方式兩個(gè)方面，針對(duì)航空機(jī)載雷達(dá)系統(tǒng)的散熱問題開展了積極研究。此外，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展及有限元法、有限差分法等數(shù)值分析方法的完善，基于數(shù)值分析方法的熱分析軟件也在不同領(lǐng)域得到大量使用。研究人員還針對(duì)熱分析軟件計(jì)算速度較慢、精度有偏差等問題，提出了許多有參考價(jià)值的熱分析方法。如美國Rome空軍發(fā)展中心為了提高電路板元件結(jié)點(diǎn)溫度的計(jì)算效率，將熱分析知識(shí)與專家系統(tǒng)相結(jié)合，使基本熱分析知識(shí)缺乏的工程師也能夠快速進(jìn)行熱分析計(jì)算[1]。梅啟元針對(duì)目前廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)的熱管散熱技術(shù)，討論并分析了熱管散熱技術(shù)在雷達(dá)散熱設(shè)計(jì)中應(yīng)用的可行性[2]。秦灝卿對(duì)熱管在機(jī)載雷達(dá)中的應(yīng)用進(jìn)行了初步研究，主要從環(huán)境適應(yīng)性、結(jié)構(gòu)形式等方面對(duì)雷達(dá)中的熱管散熱問題進(jìn)行了分析、計(jì)算和實(shí)驗(yàn)[3]。宋永善針對(duì)MCM內(nèi)部裸芯片的布局設(shè)計(jì)問題，提出了一種同時(shí)考慮MCM整體散熱性能和局部（粘接劑）熱應(yīng)力兩個(gè)方面的綜合優(yōu)化方法[4]。弋輝針對(duì)相控陣?yán)走_(dá)子陣系統(tǒng)不同的結(jié)構(gòu)方案，應(yīng)用熱設(shè)計(jì)仿真軟件建立了系列熱仿真模型[5]。鐘劍鋒針對(duì)有源相控陣?yán)走_(dá)的T/R組件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中的一些散熱問題進(jìn)行分析，并對(duì)其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)趨勢(shì)進(jìn)行了分析[6]。方益奇針對(duì)外肋片冷卻型雷達(dá)電子機(jī)箱進(jìn)行了冷板肋片的換熱計(jì)算，并對(duì)機(jī)箱和通過傳導(dǎo)換熱的印制板插件進(jìn)行了熱仿真分析[7]。答邦寧建議在設(shè)計(jì)電子產(chǎn)品時(shí)，可利用導(dǎo)熱硅脂來幫助實(shí)現(xiàn)發(fā)熱器件和散熱板間有效的熱傳導(dǎo)，從而有效解決大規(guī)模集成電路的散熱問題[8]。熱分析技術(shù)不斷成熟的同時(shí)，國外學(xué)者對(duì)熱設(shè)計(jì)技術(shù)也進(jìn)行了一系列研究，如自然冷卻，強(qiáng)迫空氣冷卻，液體冷卻等冷卻方法也開始應(yīng)用到實(shí)踐中并逐漸成熟[9]。目前針對(duì)MCM的高密度集成組件的熱設(shè)計(jì)問題，多是通過合理的選取組件冷卻方式和散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來保證整個(gè)散熱系統(tǒng)高效穩(wěn)定的工作。

本文基于國內(nèi)外在熱分析技術(shù)和熱設(shè)計(jì)技術(shù)的研究趨勢(shì)，在系統(tǒng)性的分析了相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)中多芯片組MCM高密度集成組件的熱源結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出了基于熱源分布來對(duì)多芯片組件的各接收組件進(jìn)行綜合考慮的思路，通過對(duì)航空機(jī)載相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)子陣風(fēng)道進(jìn)行了熱分析，并在分析基礎(chǔ)上對(duì)子陣風(fēng)道進(jìn)行了相應(yīng)改進(jìn)，通過對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真計(jì)算和校核，驗(yàn)證了本文設(shè)計(jì)方案的合理性。該方法可為目前我國MCM高密度集成組件子陣的熱分析和熱設(shè)計(jì)提供有益借鑒。

1 基于小人法的散熱設(shè)計(jì)

1.1 基本熱源分析的散熱問題確定

航空機(jī)載相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)子陣是一個(gè)復(fù)雜的機(jī)電系統(tǒng)，它包括天線陣、接收組件陣、轉(zhuǎn)接組件和電源陣等部分組成。其中，接收組件是集高、低頻，大、小信號(hào)，以及數(shù)/模、模/數(shù)轉(zhuǎn)換為一體的、復(fù)雜的電子產(chǎn)品集成體。接收組件作為雷達(dá)系統(tǒng)中主要的高密度集成組件系統(tǒng)，其是整個(gè)雷達(dá)系統(tǒng)中熱源產(chǎn)生的主要區(qū)域。另一方面，為避免對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)的電磁干擾，接收部件被設(shè)計(jì)為一個(gè)密封結(jié)構(gòu)，所以如何快速將其中產(chǎn)生的熱量及時(shí)帶走，是影響整個(gè)系統(tǒng)散熱系統(tǒng)的關(guān)鍵。所以，本文研究的重點(diǎn)工作是對(duì)接收組件進(jìn)行散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。目前針對(duì)高密度集成組件的冷卻方式主要采用強(qiáng)迫風(fēng)冷卻和液冷卻兩種形式。本文在綜合考慮到成本和使用環(huán)境等各方面原因的基礎(chǔ)上，對(duì)接收子陣外部選擇為強(qiáng)迫風(fēng)冷卻方式，對(duì)接收子陣內(nèi)部采用密封腔體內(nèi)部強(qiáng)迫風(fēng)冷卻方式。本文將采用TRIZ理論[10]中的聰明小人法對(duì)接收組件進(jìn)行問題分析并產(chǎn)生創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案。

1.2 基于小人法的接收組件結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)

聰明小人法是一種有效克服工程師在解決問題時(shí)的思維慣性的創(chuàng)造性思維技法。而小人法解決問題的思路是將需要解決的問題轉(zhuǎn)化為小人問題模型，利用小人問題模型產(chǎn)生解決方案模型，最終產(chǎn)生待解決問題的方案，有效規(guī)避了思維慣性的產(chǎn)生以及克服了對(duì)此類問題原有的思維慣性[11]，該方法已在多個(gè)工程問題解決過程中發(fā)揮了有效作用[12]。利用聰明小人法的問題分析過程，本文建立問題模型中兩類沖突小人分別為密封接收組件內(nèi)部空間需要及時(shí)導(dǎo)出的熱空氣小人，以及密封接收組件封閉體小人。封閉體小人要阻止里面的熱空氣小人快速從內(nèi)部移動(dòng)到外部，這是問題中的根本矛盾和原因。通過將問題系統(tǒng)中的熱空氣小人用紅色表示，密封體小人用黑色表示，黑色小人阻擋紅色小人從內(nèi)部空間移動(dòng)到外部空間，建立如圖1所示此時(shí)小人問題模型，它也是當(dāng)前出現(xiàn)問題時(shí)或發(fā)生矛盾時(shí)的模型。根據(jù)聰明小人法的解決問題思路，突破設(shè)計(jì)人員的思維定式，將小人擬人化，根據(jù)問題的特點(diǎn)及小人執(zhí)行的功能，將兩組小人想象成無所不能的小人，建立一種理想狀態(tài)既是：黑色密體小人可為紅色熱空氣小人搭建一個(gè)移動(dòng)通道，可以幫助紅色熱空氣小人快速移動(dòng)，并促使封閉體內(nèi)部的熱空氣小人向這個(gè)通道聚集。

圖1 基于小人法的問題分析過程

如何從這種理想解決方案模型過渡到實(shí)際方案，我們尋找到比密封體熱傳導(dǎo)率更高的銀質(zhì)合金材料作為熱傳導(dǎo)通道，并將其設(shè)計(jì)為一系列的導(dǎo)熱柱布置在密封體結(jié)構(gòu)上，導(dǎo)熱柱貫穿密封體，如圖2所示，這樣可以更利于密封體內(nèi)部的熱空氣向高傳導(dǎo)率的導(dǎo)熱柱聚集，并快速通過導(dǎo)熱柱將熱量傳遞到密封體外部，讓熱源的熱量傳導(dǎo)至冷板表面。

圖2 基于小人法的創(chuàng)新方案

基于設(shè)計(jì)的接收組件散熱結(jié)構(gòu)，本文還對(duì)所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)熱分析和仿真，從而驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的有效性。

2 接收組件散熱結(jié)構(gòu)的熱分析

所設(shè)計(jì)的接收組件散熱結(jié)構(gòu)外殼是由鋁制殼體和殼蓋焊接而成的密閉腔體，器件內(nèi)含有多個(gè)集成芯片熱源。熱源與散熱風(fēng)道間隔有一定厚度的LTCC基板（低溫共燒陶瓷）和PCB板，其中LTCC板熱傳導(dǎo)率只有2W/mk?？紤]到LTCC基板導(dǎo)熱率較差并結(jié)合電路結(jié)構(gòu)的具體情況，為有效實(shí)現(xiàn)散熱目標(biāo)，本文在熱源下分布放置直徑為0.3mm的銀質(zhì)合金導(dǎo)熱柱，其傳導(dǎo)率為60W/mk，讓熱源的熱量直接傳導(dǎo)至冷板表面。同時(shí)接收組件的風(fēng)道開口采用一定的平滑設(shè)計(jì)，有效避免了冷卻空氣流經(jīng)轉(zhuǎn)接組件與接收組件時(shí)風(fēng)道截面積突變所引起的局部阻力過大問題。具體接收組件如圖3所示。

圖3 設(shè)計(jì)接收組件結(jié)構(gòu)平面圖

基于上述設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，本文還應(yīng)用熱場(chǎng)理論并結(jié)合Icepak熱仿真對(duì)所設(shè)計(jì)的接收組件進(jìn)行了相應(yīng)熱分析。

2.1 單個(gè)熱源表面溫升計(jì)算

為更準(zhǔn)確的對(duì)接收組件散熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱場(chǎng)分析，本文采用由內(nèi)向外逐層分析的方法，將所得設(shè)計(jì)方案從熱源至冷卻風(fēng)的傳熱路徑上的溫升過程分解為四個(gè)階段。分別為：熱源表面至導(dǎo)熱柱表面的溫升t1；導(dǎo)熱柱表面至冷板表面溫升t2；冷板表面至流動(dòng)空氣對(duì)流層溫升t3；冷卻空氣流經(jīng)冷板時(shí)吸收引起的溫升t4；根據(jù)熱力學(xué)理論計(jì)算各部分溫升過程如下：

3）判斷流體在風(fēng)道內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)：

5）熱源表面溫度理論估算值為：

通過計(jì)算分析，可得設(shè)計(jì)方案的最終理論估算單個(gè)熱源表面溫度為90.74℃。

2.2 接收組件熱場(chǎng)仿真與分析

本文應(yīng)用Icepak熱分析軟件對(duì)整個(gè)接收組件散熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模型簡(jiǎn)化和熱分析后得到如圖3所示熱源溫度云圖和圖4所示速度場(chǎng)矢量示意圖。

通過圖5可以看出所有熱源的溫度分布都在86.25℃～91.64℃之間，這與理論計(jì)算的90.74℃較為接近。因此，可以看出該散熱方案整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)溫度梯度較低，且最高溫度低于器件表面工作極限溫度。

圖4 速度場(chǎng)矢量示意圖

3 轉(zhuǎn)接組件與風(fēng)道壓力仿真計(jì)算

由于航空機(jī)載雷達(dá)系統(tǒng)接收子陣體積較小，所以要想滿足接收子陣的散熱條件，其整個(gè)風(fēng)道的系統(tǒng)風(fēng)壓校核和8個(gè)接收組件的壓力分配是兩個(gè)重要因素。本文利用Fluent軟件對(duì)轉(zhuǎn)接組件與接收組件散熱結(jié)構(gòu)所夠成的風(fēng)道流域進(jìn)行仿真，設(shè)計(jì)一種如圖6所示轉(zhuǎn)接組件與接收組件陣列風(fēng)道流域，其中轉(zhuǎn)接組件的風(fēng)道采取了漏斗式分風(fēng)設(shè)計(jì)。

圖5 熱源溫度云圖

圖6 陣列風(fēng)道流域三維實(shí)體圖

通過對(duì)轉(zhuǎn)接組件與接收組件構(gòu)成的子陣進(jìn)行散熱風(fēng)量進(jìn)行估算，假設(shè)空氣物性參數(shù)按照標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下20℃干空氣熱物理性質(zhì)取值，因此可得：

接收組件的總功率為：

這里我們?nèi)R組件入=6m/s。

根據(jù)質(zhì)量守恒定律可知整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)質(zhì)量守恒，由此可以得出Q8R總=QU總。分析可知 接收組件與轉(zhuǎn)接組件組成的系統(tǒng)壓力至少要滿足以下條件風(fēng)冷系統(tǒng)才可正常運(yùn)行：

以下我們假定入口供風(fēng)量為0.002m3/s時(shí)結(jié)合Fluent軟件進(jìn)行仿真分析，可得整個(gè)系統(tǒng)的仿真結(jié)果。如圖5所示陣列風(fēng)道壓力分布圖和圖7所示陣列入口矢量壓力分布圖及表1上中下接收組件內(nèi)風(fēng)壓與風(fēng)速統(tǒng)計(jì)表。

圖7 陣列風(fēng)道壓力分布圖

圖8 陣列入口矢量壓力分布圖

表1 上中下接收組件內(nèi)風(fēng)壓與風(fēng)速統(tǒng)計(jì)表

通過圖7、圖8和各個(gè)接收組件仿真數(shù)據(jù)表，不難看出在8個(gè)接收組件的風(fēng)道內(nèi)壓力和速度分布是比較均勻的，且每個(gè)接收組件內(nèi)冷卻空氣的流速是基本符合散熱需求的。但是由于整個(gè)系統(tǒng)體積較小，要想滿足系統(tǒng)散熱需求，系統(tǒng)入口的最大壓力值應(yīng)為1175.43Pa。該壓力數(shù)值相對(duì)較大，對(duì)風(fēng)機(jī)的選擇帶來一定難度。

4 結(jié)論

本文在分析航空機(jī)載相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)MCM高密度集成組件熱源結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，采用小人法對(duì)散熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行了問題分析并建立了相應(yīng)創(chuàng)新方案。采用理論計(jì)算和Icepak和Fluent熱分析軟件相結(jié)合，對(duì)相控陣?yán)走_(dá)中高密度集成組件中的接收子陣的散熱創(chuàng)新方案進(jìn)行了熱分析和系統(tǒng)壓力校核。通過計(jì)算結(jié)果證明所建立的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案滿足接收組件的散熱需求，且整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)通過有效的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)達(dá)到了均勻分配風(fēng)壓的效果。該方法可輔助設(shè)計(jì)人員開始分析并獲得較好的設(shè)計(jì)方案，通過仿真分析可有效縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期、提高產(chǎn)品可靠性。