某組合式冷板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及制造工藝

李漢林，譚公禮，陳 君

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二三研究所，江蘇 揚(yáng)州 225101)

0 引 言

有源相控陣?yán)走_(dá)因其能實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)處理、波束控制靈活、信號(hào)處理方便、可靠性高等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域。有源相控陣面的核心組成為收發(fā)組件(TR組件)和天線陣列[1]。隨著陣面向高集成度、高功率密度、高頻率等方向發(fā)展，天線陣列間距與冷板厚度之間的矛盾日漸凸顯。低頻率陣面通常采用柔性電纜或過(guò)渡層解決這一矛盾，但在高頻率陣面上，過(guò)長(zhǎng)的柔性電纜或過(guò)渡層的損耗會(huì)對(duì)雷達(dá)性能產(chǎn)生致命影響，只能將TR組件與天線陣列用短硬線連接。

相關(guān)分析報(bào)告指出，TR組件的失效55%是由溫度引起的[1]，有效的TR組件溫控顯得尤為重要。為解決高熱流密度TR組件散熱問(wèn)題，國(guó)內(nèi)科研人員對(duì)微通道冷板流道截面形狀、流道結(jié)構(gòu)形式等[2-3]展開(kāi)了研究，取得了很大進(jìn)展，但由于制造工藝等因素的局限，目前實(shí)際工程應(yīng)用的微通道冷板極少；常規(guī)流道(流道直徑毫米級(jí))冷板依舊是主流的散熱方式。

1 設(shè)計(jì)思路及難點(diǎn)分析

中低頻段有源相控陣面通常采用“刀片式”、“瓦片式”集成模塊。因其天線單元間距相對(duì)較大，組件熱流密度相對(duì)較低，TR組件等有源器件利用緊固件安裝在冷板表面，采用導(dǎo)熱硅脂、銦片等降低有源器件與冷板間的接觸熱阻就能獲得良好的散熱效果；且射頻鏈路對(duì)電纜傳輸損耗的容忍度相對(duì)較高，組件通過(guò)電纜或過(guò)渡層與天線單元連接就能保證其電性能。

區(qū)別于中低頻段陣面，高頻段陣面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有如下特點(diǎn)：組件熱流密度相對(duì)較大且熱源集中；天線單元與組件需采用低損耗連接形式；冷板較薄，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差。

組件與冷板間的接觸熱阻是影響散熱的重要因素之一，釬焊較導(dǎo)熱硅脂、銦片更能填充滿組件與冷板之間的間隙，降低界面熱阻。如將組件直接釬焊在冷板表面，將明顯減小接觸熱阻，提高散熱效率，且節(jié)省出來(lái)的組件殼體空間可用于提升冷板結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

高頻段有源相控陣面對(duì)射頻鏈路極為敏感，如采用電纜、過(guò)渡層等方案，傳輸損耗可能將主信號(hào)消耗完，導(dǎo)致陣面無(wú)法使用。如將天線單元與組件直接燒結(jié)在一起，其傳輸損耗將大大降低。

受限于天線單元間距，高頻段有源相控陣面可利用的用于布置冷板的空間很小，單冷板形式結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度不能滿足環(huán)境適應(yīng)性要求，可考慮將相鄰冷板組合設(shè)計(jì)，提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

基于上述思考，本文針對(duì)某高頻率、高熱流密度有源相控陣面，提出了一種新型的組合式冷板結(jié)構(gòu)。將TR組件封裝在冷板內(nèi)，天線單元安裝在冷板端面，經(jīng)玻璃絕緣子與TR組件硬連接。如此，冷板不再只是支撐散熱件，而是一個(gè)機(jī)、電、液高度融合的產(chǎn)品。相較于常規(guī)冷板，其主要技術(shù)難點(diǎn)在于：

(1) 冷板主體(TR組件焊接位置)位置厚度很薄，僅為3 mm左右，為保證TR組件安裝及焊接，沒(méi)有可用空間進(jìn)行加強(qiáng)，剛度很差；

(2) 天線陣列間距很小，最小的盲插水接頭外徑為11.5 mm，遠(yuǎn)大于天線間距；沒(méi)有足夠的空間合理布置水接頭；

(3) 組件芯片熱流密度較大，且正反面連續(xù)布置，可利用的冷板厚度僅為3 mm，布置流道的空間很?。?/p>

(4) 冷板作為封裝件，組件燒結(jié)在冷板表面，如冷板出現(xiàn)耐壓鼓包等現(xiàn)象，損失很大；冷板可靠性要求很高；

(5) 冷板輸出端口絕緣子安裝孔的相對(duì)位置精度需控制在0.02 mm之內(nèi)；組件安裝面間平行度控制在0.02 mm之內(nèi)；冷板精度要求很高。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

針對(duì)上述技術(shù)難點(diǎn)，本文從兩個(gè)方面提出了解決方案：一是將2塊冷板有機(jī)地結(jié)合在一起，充分利用2塊冷板的厚度進(jìn)行結(jié)構(gòu)布局；二是利用拓?fù)鋬?yōu)化手段優(yōu)化流道結(jié)構(gòu)，提高冷板換熱能力。

2.1 結(jié)構(gòu)形式

如圖1、圖2所示，冷板組合拆分為大、小2塊獨(dú)立的冷板；大冷板承載小冷板，大冷板利用2塊冷板的厚度布置助拔裝置及對(duì)外安裝螺釘，保證插拔順利及安裝強(qiáng)度；2塊冷板水接頭位置相互嵌套，錯(cuò)位布置，保證有足夠的空間布置水接頭；2塊冷板利用定位銷定位，螺釘緊固，提高冷板組合整體強(qiáng)度。

圖1 組合式冷板外形圖

圖2 組合式冷板拆分圖

作為實(shí)際項(xiàng)目使用的冷板，流道換熱能力只是考核的一個(gè)部分，其工藝實(shí)現(xiàn)、加工難易程度、可靠性、環(huán)境適應(yīng)性也需同步重點(diǎn)考慮。

大、小冷板熱源分布一致，以小冷板為例，如圖3所示，小冷板正反面焊接TR組件芯片，冷板總散熱量為300 W，單面表面最大熱流密度為130 W/cm2，且正反面熱源重疊，重疊部分的熱流密度大于130 W/cm2。

圖3 上冷板正反面熱源分布

本冷板可用于布置流道的壁厚僅為3 mm，根據(jù)以往冷板設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，兩邊先預(yù)留1 mm安全壁厚，故流道可用高度僅1 mm。雖然流道的寬度越窄，流道內(nèi)的蒸騰作用越顯著，換熱性能越好，但過(guò)窄的流道會(huì)增大冷板流阻、制造難度及成本上升、可靠性降低。

經(jīng)多輪拓?fù)鋬?yōu)化，本冷板選擇流道寬度為0.5 mm，冷板流道如圖4所示，進(jìn)出水口設(shè)置靜壓腔，保證冷卻液流動(dòng)均勻；受限于布置空間，流道主體串聯(lián)局部并聯(lián)，提高均溫性；流道口采用魚(yú)鰭形式，降低流阻。

圖4 流道外形圖

2.2 數(shù)值模擬

采用FloEFD軟件對(duì)冷板組合進(jìn)行熱仿真，在通40 ℃冷卻液條件下，如圖5所示，冷板表面最高溫度為68 ℃，滿足組件安裝表面溫控要求；最低溫度為63 ℃，最高、最低溫差為5 ℃，滿足均溫性要求。

圖5 表面溫度云圖

采用Ansys Workbench軟件對(duì)流道進(jìn)行1.6 MPa耐壓仿真，如圖6所示，冷板內(nèi)部流道最大應(yīng)力為30 MPa，滿足流道耐壓要求。

圖6 流道內(nèi)應(yīng)力分布

采用Ansys Workbench軟件對(duì)冷板進(jìn)行沖擊仿真，100 g當(dāng)量沖擊下集成模塊最大位移為0.56 mm，最大應(yīng)力為154 MPa；滿足機(jī)械性能要求。

圖7 沖擊仿真結(jié)果

2.3 工藝實(shí)現(xiàn)

目前，冷板流道成型主要有以下2種焊接方法[4]：

(1) 釬焊：采用比母材熔點(diǎn)低的金屬材料作為釬料，將焊件和釬料加熱到高于釬料熔點(diǎn)，低于母材融化溫度，利用液態(tài)釬料潤(rùn)濕母材，填充接頭間隙并與母材相互擴(kuò)散形成連接。

(2) 擴(kuò)散焊：將焊件緊密貼合，在一定溫度和壓力下保持一段時(shí)間，使接觸面之間的原子相互擴(kuò)散形成連接。

本文中冷板內(nèi)部流道為小微通道，如果采用釬焊，釬料熔化時(shí)極有可能形成堵塞；由于擴(kuò)散焊沒(méi)有釬料，不會(huì)形成堵塞，故本冷板選用擴(kuò)散焊完成流道焊接。

焊接前，用同批次鋁材制造試棒及試件，進(jìn)行焊接性能測(cè)試，固化焊接參數(shù)及焊接環(huán)境；冷板毛坯焊接完成后，對(duì)其進(jìn)行耐壓、流量、流阻、X光檢測(cè)，檢驗(yàn)合格后方能轉(zhuǎn)入下一道工序。

為保證冷板組合玻璃絕緣子位置及組件焊接面精度，加工時(shí)先將上、下冷板毛坯用定位銷進(jìn)行定位，組合在一起加工大體外輪廓；完成后拆分開(kāi)，利用定位銷孔為加工基準(zhǔn)，精加工下冷板上表面和上冷板下表面。加工完成后將上、下冷板再次組合在一起，精加工外表面。利用“組合—分離—組合”的加工步驟，保證上、下冷板絕緣子等重要特征的位置精度。為保證冷板質(zhì)量，以下幾點(diǎn)需特別注意：

(1) 采用熱處理、慢進(jìn)刀、多次精加工方式去除焊接、加工應(yīng)力；

(2) 加工水接頭安裝孔時(shí)，用專用工裝保護(hù)流道，禁止加工金屬屑進(jìn)入流道；

(3) 加工絕緣子安裝孔時(shí)，建議在孔加工完成后空跑刀，通過(guò)放大鏡觀察內(nèi)部情況，必要時(shí)用鑷子等輔助工具精細(xì)去毛刺。

3 實(shí)物驗(yàn)證

圖8為加工完成的冷板組合外形圖，經(jīng)測(cè)量，冷板外形尺寸符合設(shè)計(jì)要求。

圖8 集成冷板外形圖

對(duì)冷板進(jìn)行1.6 MPa氮?dú)鉀_壓，放入水中靜置15 min，如圖9所示，水內(nèi)沒(méi)有氣泡涌出，經(jīng)測(cè)量冷板表面平面度保壓前后無(wú)明顯變化，流道耐壓符合設(shè)計(jì)要求。

圖9 保壓試驗(yàn)結(jié)果

如圖10所示，搭建專用的測(cè)試系統(tǒng)對(duì)冷板換熱性能進(jìn)行驗(yàn)證。

圖10 測(cè)試平臺(tái)

經(jīng)測(cè)試，如圖11所示，冷板表面溫度為67.4 ℃。通過(guò)進(jìn)出口溫差計(jì)算，得出冷卻液帶走的熱量與所加熱負(fù)載匹配，表明冷板換熱滿足要求。

圖11 熱測(cè)試結(jié)果

如圖12所示，在CNC投影儀下放大倍數(shù)，逐個(gè)檢查絕緣子安裝孔?？梢钥闯?，絕緣子內(nèi)無(wú)毛刺、翻邊等現(xiàn)象，加工精度滿足絕緣子封裝要求。

圖12 絕緣子安裝孔

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著有源相控陣面向小型化、高集成度方向發(fā)展，冷板在滿足其散熱功能的基礎(chǔ)上，更多地向機(jī)、電、液一體化設(shè)計(jì)方向發(fā)展。本文采用合理的結(jié)構(gòu)形式，通過(guò)工藝摸索，成功研制出符合要求的冷板，目前該型冷板已應(yīng)用于實(shí)際項(xiàng)目。本文中冷板的結(jié)構(gòu)形式、流道優(yōu)化手段、工藝探討等對(duì)高頻有源相控陣面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有一定的指導(dǎo)意義。