一種高熱流密度有源組件散熱技術(shù)

戴得德 高青松 李德世 郗 昱

（海裝裝備項(xiàng)目管理中心，北京100000）

1 有源組件散熱技術(shù)發(fā)展需求分析

隨著微波器件的飛速發(fā)展，大功率微波功率器件逐漸從硅雙極管、砷化鎵(GaAs)場(chǎng)效應(yīng)晶體管向能夠輸出更高功率的氮化鎵(GaN)芯片技術(shù)過度，氮化鎵有源組件以其高功率、高效率、高可靠性等優(yōu)點(diǎn)，近年來在國(guó)內(nèi)外的雷達(dá)系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)有源相控陣?yán)走_(dá)天線陣面小型化、輕量化和高可靠性的目標(biāo)，氮化鎵芯片集成度越來越高，芯片尺寸越來越小的同時(shí)，熱耗和熱流密度急劇增大。因此，如何有效解決高熱流密度有源相控陣?yán)走_(dá)TR 組件的熱設(shè)計(jì)問題至關(guān)重要。

目前，廣泛應(yīng)用的有源組件散熱技術(shù)主要包括風(fēng)冷、水冷、傳導(dǎo)冷卻(包括傳導(dǎo)到外殼及熱管傳導(dǎo)等)等技術(shù)。風(fēng)冷技術(shù)利用空氣的自然對(duì)流和強(qiáng)迫對(duì)流現(xiàn)象，并且能夠通過改變翅片的形狀位置以及界面材料的導(dǎo)熱系數(shù)來加強(qiáng)換熱能力，具有成本低、安全可靠的特點(diǎn)，但隨著有源組件熱流密度的大幅增加，單純采用風(fēng)冷散熱的方式已經(jīng)無法解決高熱流密度有源組件散熱問題。水冷散熱是相控陣?yán)走_(dá)常用的散熱技術(shù)之一，有源組件的熱量首先傳遞到冷板上，再由冷板傳給冷卻液，最終由冷卻液把熱量帶走，水冷散熱具有較強(qiáng)的散熱能力，然而由于水冷系統(tǒng)存在冷卻液熱導(dǎo)率低、運(yùn)動(dòng)部件多、振動(dòng)強(qiáng)、噪音大、可靠性差、體積功耗大等弊端，很難滿足小型系統(tǒng)和特殊工程應(yīng)用的需求，特別在設(shè)備體積、重量受限、抗沖擊震動(dòng)能力要高的情況下，通過提高水冷系統(tǒng)抗沖擊振動(dòng)能力，設(shè)計(jì)難度加大的同時(shí)必然會(huì)導(dǎo)致水冷設(shè)備的體積和重量的增加。熱管是一種利用工質(zhì)蒸發(fā)、冷凝相變實(shí)現(xiàn)熱量高效傳輸?shù)脑瑹峁芫哂袃?yōu)良的等溫性、高熱傳導(dǎo)能力、體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無失效部件等優(yōu)點(diǎn)，在有源組件的熱控制方面廣泛應(yīng)用，但其傳熱能力要受到其自身尺寸結(jié)構(gòu)、內(nèi)部工質(zhì)、吸液芯以及工作溫度等多種因素的制約，而且熱管的蒸發(fā)端散熱器需占用較大空間，使得加載在熱管上的熱負(fù)荷受到限制，熱輸運(yùn)能力有限，其擴(kuò)展至遠(yuǎn)離熱源區(qū)域的熱量小，對(duì)于高熱流密度的點(diǎn)熱源，大部分熱量仍然局限在熱源處，當(dāng)熱流密度＞100W/cm2時(shí)，應(yīng)用熱管技術(shù)已無法解決有源組件的散熱問題。熱管技術(shù)“局部熱點(diǎn)”問題嚴(yán)重制約其在高熱流密度有源組件中的應(yīng)用。

綜上，有必要探索新的熱傳導(dǎo)，技術(shù)提高和解決高熱流密度TR 散熱的技術(shù)難題。

2 液態(tài)金屬電磁驅(qū)動(dòng)散熱技術(shù)分析

固液相變的散熱方式是一類值得探索的熱管理技術(shù)。眾所周知，物質(zhì)在固液相變過程中會(huì)吸收巨大的熱量而其自身溫度卻保持不變。這一特殊屬性可以用于實(shí)現(xiàn)溫度控制和熱量管理。相變儲(chǔ)熱具有蓄能密度大、蓄放熱過程近似等溫、易于控制和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。相變溫控技術(shù)并不需要風(fēng)扇，從而避免風(fēng)扇具有的振動(dòng)大、壽命短、噪音大、在缺乏空氣的小型密閉系統(tǒng)中風(fēng)冷效果差，在開放空間易導(dǎo)致肋片縫隙灰塵堵塞等缺點(diǎn)，因此固液相變散熱技術(shù)受到研究者越來越多的關(guān)注，在航空相機(jī)、衛(wèi)星、導(dǎo)彈電路以及機(jī)載行波管等方面逐漸被應(yīng)用，因此，在有源組件熱設(shè)計(jì)中具有應(yīng)用潛力。

低熔點(diǎn)液態(tài)金屬是一種特殊的相變材料，種熔點(diǎn)接近室溫，具有熱導(dǎo)率高(銦的熱導(dǎo)率為81.6W/ (m·K)，鎵的熱導(dǎo)率為29.4W/(m·K)，遠(yuǎn)高于水的熱導(dǎo)率0.599W/(m·K))，單位體積相變潛熱大，相變時(shí)體積變化小，可靠性高等顯著優(yōu)勢(shì)，因此，液態(tài)金屬很早以前就作為換熱介質(zhì)（載熱劑）用于和反應(yīng)堆中。液態(tài)金屬不易蒸發(fā)、不易泄露，安全無毒，物化性質(zhì)穩(wěn)定，易回收，是一種安全流動(dòng)工質(zhì)，適用于對(duì)控溫精度要求高、熱流密度高、體積受限、均溫效果及對(duì)可靠性要求高的場(chǎng)合，尤其在超高熱流領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價(jià)值和潛力，是新一代高性能散熱技術(shù)的研究熱點(diǎn)。

液態(tài)金屬電磁驅(qū)動(dòng)散熱技術(shù)利用液態(tài)金屬作為傳熱介質(zhì)，以電磁泵作為動(dòng)力源，液態(tài)金屬循環(huán)流經(jīng)熱源表面實(shí)現(xiàn)散熱，散熱性能優(yōu)異，是未來高端散熱技術(shù)的發(fā)展方向，在高熱流密度有源組件散熱領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

3 仿真試驗(yàn)

針對(duì)多點(diǎn)熱源的高熱流密度散熱系統(tǒng)進(jìn)行仿真，分析對(duì)液態(tài)金屬點(diǎn)此驅(qū)動(dòng)散熱技術(shù)解決高熱流密度散熱可行性進(jìn)行分析。

GJB74A-98 中規(guī)定室外設(shè)備的工作溫度為50/55℃，有源組件的安全工作溫度為85℃，因此，散熱系統(tǒng)對(duì)有源組件的溫升應(yīng)小于30℃。

系統(tǒng)結(jié)合某項(xiàng)目有源組件的尺寸限制，對(duì)2 個(gè)高熱流密度的點(diǎn)熱源和4 個(gè)低熱流密度點(diǎn)熱源的有源組件進(jìn)行熱仿真分析，系統(tǒng)參數(shù)如表1 所示，液態(tài)金屬物理特性如表2 所示，熱分析模型如圖1 所示。

表1 系統(tǒng)參數(shù)

表2 液態(tài)金屬物性參數(shù)

圖1 熱分析模型

模擬環(huán)境溫度為40℃，風(fēng)機(jī)風(fēng)量為63CFM（105.84m3/h）的情況下，仿真結(jié)果如圖2、圖3 和表3 所示。

圖2 溫度云圖

圖3 液態(tài)金屬流線圖

表3 熱仿真結(jié)果

4 結(jié)論

通過理論分析和仿真驗(yàn)證可以看出，液態(tài)金屬電磁驅(qū)動(dòng)散熱技術(shù)是一種解決高熱流密度有源組件散熱問題的有效技術(shù)手段，并具有以下特點(diǎn)：

4.1 液體金屬具有遠(yuǎn)高于水、空氣及許多非金屬介質(zhì)的熱導(dǎo)率，因此液態(tài)金屬散熱器相對(duì)傳統(tǒng)水冷可實(shí)現(xiàn)更加高效的熱量輸運(yùn)及極限散熱能力；

4.2 液態(tài)金屬的高電導(dǎo)屬性使其可采用基于電磁感應(yīng)原理的電磁泵驅(qū)動(dòng)，無任何運(yùn)動(dòng)部件，驅(qū)動(dòng)效率高，沒有任何噪音；

4.3 該散熱技術(shù)集肋片散熱和對(duì)流散熱于一體，大大拓展了傳統(tǒng)散熱方式的散熱表面；

4.4 散熱流道可以根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)計(jì)，能夠滿足多點(diǎn)熱源同時(shí)散熱的需求；

4.5 與其它散熱方式相比，散熱器體積小、重量輕、能耗低（僅為水冷系統(tǒng)功耗的1/10 左右）；

4.6 安全穩(wěn)定，可靠性高。