某液冷線陣?yán)浒逶O(shè)計(jì)與制造技術(shù)*

解正康，汪 奕，趙希芳，段柳浠

（南京電子技術(shù)研究所，江蘇 南京 210039）

引 言

隨著微電子技術(shù)的不斷發(fā)展，微型化、高集成度、大功率芯片在各類電子器件中的應(yīng)用越來越多[1]。電子器件的體積不斷減小，高功率芯片的密度不斷增大，電子元器件的功率密度和熱流密度也大幅度提高[2]。每個(gè)芯片均有自己最適宜的工作溫度區(qū)間，如果芯片的工作溫度超過這個(gè)區(qū)間，其可靠性將成指數(shù)下降。因此只有對(duì)電子設(shè)備進(jìn)行有效的熱管理，才能保證其運(yùn)行的可靠性。

在有源相控陣?yán)走_(dá)中，T/R組件就是當(dāng)代微電子技術(shù)不斷發(fā)展的產(chǎn)物，它對(duì)散熱的要求十分苛刻。熱流密度較大的有源相控陣?yán)走_(dá)一般采用液冷線陣?yán)浒迮cT/R組件緊貼的方式來為T/R組件散熱。線陣?yán)浒逑喈?dāng)于一個(gè)換熱器[3]，組件工作時(shí)產(chǎn)生的熱量通過組件的殼體傳導(dǎo)至冷板表面，冷板表面的熱量與冷板內(nèi)部流道的冷卻液對(duì)流換熱，通過冷卻液的流動(dòng)和循環(huán)，將熱量帶走。本文詳細(xì)介紹了某有源相控陣?yán)走_(dá)線陣?yán)浒宓脑O(shè)計(jì)方法與制造工藝。

1 線陣?yán)浒辶鞯澜孛嫘螤钸x擇

目前在有源相控陣?yán)走_(dá)線陣?yán)浒逯袘?yīng)用最廣泛、最成熟的是通過深孔鉆的形式制作出來的普通圓截面流道冷板。這種冷板的成型方式為：首先在冷板主體上打幾排并列的圓形通孔，然后通過堵頭與冷板主體焊接，將這幾條并列的圓形深孔串聯(lián)起來，形成S型流道。由于圓形通孔的長度較長，其鉆頭的直徑因剛強(qiáng)度的影響無法做得很小，所以一般線陣?yán)浒宓牧鞯乐睆讲恍∮? mm。這種線陣?yán)浒宓膬?yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工容易，焊接技術(shù)成熟。缺點(diǎn)是換熱能力不足，無法滿足熱流密度越來越大的T/R組件的散熱需求。因此，為了增強(qiáng)該線陣?yán)浒宓膿Q熱能力，必須對(duì)流道截面的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行優(yōu)化。目前小通道冷板和微通道冷板因其顯著的換熱能力，越來越多地被應(yīng)用在高功率電子設(shè)備中。小通道冷板和微通道冷板的結(jié)構(gòu)形式按截面形狀可分為矩形、三角形、梯形、圓形、T形等。最常見也最容易加工實(shí)現(xiàn)的是矩形截面，其典型結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

圖1 矩形截面流道冷板結(jié)構(gòu)形式

矩形截面流道的當(dāng)量直徑Dh為:

式中：W為流道寬度；H為流道高度；D為肋片厚度。

微通道冷板通常是指當(dāng)量直徑在10～1 000 μm的冷板[4]，而小通道冷板通常是指當(dāng)量直徑略大于1 000 μm的冷板。根據(jù)文獻(xiàn)[1]和文獻(xiàn)[5]中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在外界條件相同的情況下，散熱能力的排序?yàn)槲⑼ǖ谰匦瘟鞯览浒?小通道矩形流道冷板>普通圓截面流道冷板。在加工難易程度和加工成本上，同樣也是微通道矩形流道冷板>小通道矩形流道冷板>普通圓截面流道冷板。因此，必須從散熱能力、加工難易程度和加工成本上綜合考慮，在滿足散熱需求的前提下，選擇加工容易和成本低的流道截面形式。

某有源相控陣?yán)走_(dá)也是利用液冷線陣?yán)浒鍋韺?duì)T/R組件進(jìn)行安裝固定和散熱。該雷達(dá)的供液溫度高達(dá)75°C，流經(jīng)后端有源元器件后，到達(dá)線陣?yán)浒迦肟跁r(shí)的溫度為78°C。選擇最長、熱耗最高的一條線陣?yán)浒暹M(jìn)行流道的優(yōu)化設(shè)計(jì)。該線陣?yán)浒宓膬蓚?cè)各分布了6個(gè)四通道的T/R組件和2個(gè)兩通道的T/R組件，單通道功率為10 W，按20%占空比工作。T/R組件發(fā)熱量最多的功放芯片結(jié)溫≤140°C，傳熱路徑為功放→基板→組件殼體→冷板，結(jié)殼熱阻取1.15°C/W。以上述邊界條件來進(jìn)行線陣?yán)浒辶鞯澜孛娴脑O(shè)計(jì)，并通過熱仿真來進(jìn)行計(jì)算迭代。最終選擇小通道矩形流道與普通矩形流道組合的流道形式，在功放芯片下方排布小通道矩形流道，尺寸為深3.7 mm，寬1 mm；在其他發(fā)熱量小的下方排布普通矩形流道，尺寸為深3.7 mm，寬3 mm。冷板的截面視圖和T/R冷板熱力學(xué)仿真溫度分布如圖2所示。

圖2 冷板截面圖和溫度分布

由圖2可知，運(yùn)用小通道矩形流道與普通矩形流道組合的線陣?yán)浒?，在該?yán)苛的供液溫度和工作環(huán)境下，單條冷板上核心芯片的溫度差可以控制在5°C，滿足均溫性要求。功放芯片殼溫最高為98.6°C，結(jié)殼熱阻按照1.15°C/W估算，芯片的峰值熱耗為21.35 W，則推算得功放芯片的結(jié)溫為123.2°C< 140°C，滿足二級(jí)降額要求。由此可知，該線陣?yán)浒鍧M足T/R組件的散熱需求。

2 小通道矩形流道冷板制造工藝技術(shù)

2.1 小通道矩形流道冷板工藝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于該線陣?yán)浒鍍?nèi)部有矩形截面小通道，所以其工藝拆分模型應(yīng)為底板+蓋板的模式。底板+蓋板可有2種不同的結(jié)構(gòu)形式，如圖3所示。

圖3 底板+蓋板的2種不同結(jié)構(gòu)形式

2種結(jié)構(gòu)形式的底板和蓋板均可先通過高速銑的方式加工成型，再將兩者焊接起來形成一個(gè)擁有內(nèi)部流道的冷板毛坯件，最后對(duì)該冷板毛坯件進(jìn)行精加工，形成最終的冷板精加工零件。這兩種結(jié)構(gòu)拆分形式均可實(shí)現(xiàn)小通道矩形流道線陣?yán)浒宓募庸ぶ谱?，具體形式的選擇可根據(jù)不同焊接方式以及具體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)來決定。方式1適合槽深較淺、槽寬較大的冷板結(jié)構(gòu)拆分，因?yàn)檫@種方式的矩形槽需在底板上加工成型，矩形槽越深越窄，其可加工性就越差。方式2將矩形槽對(duì)半分，加工難度大幅下降。方式1比方式2更適合釬焊方式，因?yàn)殁F焊需要鋪設(shè)焊料，采用方式1，焊接時(shí)將蓋板朝下，可避免焊料融化流入矩形槽內(nèi)堵塞流道。

2.2 小通道矩形流道冷板焊接工藝選擇

某有源相控陣?yán)走_(dá)線陣?yán)浒宄擞袊?yán)苛的散熱要求外，還對(duì)結(jié)構(gòu)的剛強(qiáng)度以及流道的流阻提出了要求。因此為了防止冷卻介質(zhì)在流動(dòng)過程中在各流道間串?dāng)_以及在一定的水壓下冷板出現(xiàn)鼓包等現(xiàn)象，要求將各槽道之間的肋片焊實(shí)。并且為了降低流阻，保證流量，焊接過程中需盡量保證流道不變形，無其他異物堵塞流道。這些要求無疑給焊接增加了很大的難度。

就目前的焊接工藝而言，適用于這種底板+蓋板結(jié)構(gòu)形式的焊接方式有氮?dú)獗Ｗo(hù)釬焊、真空爐釬焊以及擴(kuò)散焊。氮?dú)獗Ｗo(hù)釬焊成熟度高，相對(duì)于真空爐釬焊，具有效率高、成本低的優(yōu)點(diǎn)，所以在這兩種釬焊方式中優(yōu)先選擇氮?dú)獗Ｗo(hù)釬焊。與擴(kuò)散焊相比，氮?dú)獗Ｗo(hù)釬焊的優(yōu)點(diǎn)是焊接工藝成熟，成本較低，缺點(diǎn)是焊縫強(qiáng)度較低（60～70 MPa），可能存在一定的釬料堵塞風(fēng)險(xiǎn)。擴(kuò)散焊工藝的優(yōu)點(diǎn)是焊縫強(qiáng)度高，不易堵塞，缺點(diǎn)是焊后焊縫質(zhì)量不易檢驗(yàn)，批量焊縫的焊接質(zhì)量一致性難以保證。氮?dú)獗Ｗo(hù)釬焊的焊縫強(qiáng)度遠(yuǎn)小于擴(kuò)散焊的焊縫強(qiáng)度，很有可能在一些力學(xué)環(huán)境下出現(xiàn)焊縫開裂等現(xiàn)象。為此，可以通過力學(xué)仿真探究氮?dú)獗Ｗo(hù)釬焊的焊縫強(qiáng)度是否滿足要求。將線陣?yán)浒逖b入該天線陣面，對(duì)整個(gè)陣面進(jìn)行靜載工況、沖擊響應(yīng)和耐久隨機(jī)振動(dòng)的力學(xué)仿真分析，求得各種工況下該線陣?yán)浒宓淖畲髴?yīng)力，結(jié)果見表1。

表1 冷板各工況下的最大應(yīng)力

由表1可知，在耐久隨機(jī)振動(dòng)工況下，線陣?yán)浒逅艿淖畲髴?yīng)力為35.520 MPa，相比于焊縫強(qiáng)度，其安全裕度為2，滿足線陣?yán)浒宓氖褂眯枨?。?duì)于氮?dú)獗Ｗo(hù)釬焊工藝的釬料堵塞風(fēng)險(xiǎn)，可通過嚴(yán)格的工藝過程控制及焊后對(duì)冷板流量進(jìn)行檢測(cè)來控制和釋放風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于擴(kuò)散焊，目前并沒有一種直觀有效的焊透率檢測(cè)方式，焊縫質(zhì)量難以評(píng)估。所以對(duì)于該小通道矩形流道冷板，最終選用氮?dú)獗Ｗo(hù)釬焊來實(shí)現(xiàn)冷板的焊接成形，結(jié)構(gòu)拆分形式選圖3中的方式1。

2.3 氮?dú)獗Ｗo(hù)釬焊工藝路線與注意事項(xiàng)

氮?dú)獗Ｗo(hù)釬焊是在氮?dú)獾姆諊聦?duì)焊接件加熱，使釬料融化，母材不熔化，從而使液態(tài)釬料在母材表面潤濕、鋪展，與母材相互溶解和擴(kuò)散，最終實(shí)現(xiàn)焊接件的緊密連接。該小通道冷板毛坯件的氮?dú)獗Ｗo(hù)釬焊的工藝流程為：清洗零部件及焊料→按照焊縫形狀裁制焊片→按要求裝配成型→工件裝配入爐，采用氮?dú)獗Ｗo(hù)釬焊焊接→零件出爐，淬火→焊后清洗→去焊疤、修焊縫→固溶時(shí)效處理→校平零件。在整個(gè)工藝流程中，釬焊環(huán)節(jié)為重中之重。在此過程中，需嚴(yán)格控制焊接溫度及釬焊爐中的含氧量和露點(diǎn)（一般含氧量應(yīng)控制在0.000 5%以內(nèi)，露點(diǎn)控制在?40°C以下）[6]，從而得到良好的焊縫質(zhì)量。此外，還應(yīng)該嚴(yán)格控制焊料的鋪設(shè)量，避免焊料過多堵塞流道或焊料過少影響結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。要得到該小通道冷板成品，還需對(duì)該焊接毛坯件進(jìn)行進(jìn)一步的機(jī)加工成型。

3 焊后檢測(cè)及結(jié)果

小通道矩形流道冷板焊后精加工完成后，需要對(duì)氮?dú)獗Ｗo(hù)釬焊的焊縫質(zhì)量進(jìn)行檢驗(yàn)，從而判斷該冷板是否合格。

3.1 焊后檢驗(yàn)方式

（1）冷板密封性以及強(qiáng)度檢測(cè)。往流道內(nèi)施加1.5 MPa的水壓，在此水壓下保持15 min，觀察冷板有無漏液以及冷板流道兩側(cè)有無鼓包，從而判斷冷板的密封性和強(qiáng)度。

（2）冷板流量檢測(cè)。冷板流道兩端在0.025 MPa壓差下保證流量≥30 L/h，可以間接評(píng)判流道的堵塞情況。

（3）CT成像。CT成像是目前應(yīng)用較廣泛和深入的無損檢測(cè)技術(shù)之一[7]。通過CT成像可直觀地評(píng)判釬焊冷板的焊透率及流道的堵塞情況。

3.2 檢驗(yàn)結(jié)果

該小通道矩形流道冷板在1.5 MPa的水壓下保持15 min，無漏液狀況，流道兩側(cè)也無鼓包，證明密封性和強(qiáng)度均合格；冷板流道兩端在0.025 MPa壓差下的流量≥30 L/h，證明流道并無明顯的堵塞情況；在該批冷板中選擇4根進(jìn)行CT成像檢測(cè)，焊縫纖著率分別為90%，92%，95%，93%，均滿足85%的纖著率要求。其中CT成像檢測(cè)位置以及第4根冷板的檢測(cè)結(jié)果分別如圖4和圖5所示。圖5中箭頭位置為未釬滿較為嚴(yán)重的區(qū)域。

圖4 冷板CT成像檢測(cè)位置

圖5 冷板CT成像檢測(cè)結(jié)果

4 結(jié)束語

本文介紹的線陣?yán)浒遄罱K選擇矩形截面小通道作為其流道形狀，滿足了該有源相控陣?yán)走_(dá)T/R組件的散熱需求，并得到了批量生產(chǎn)。如果T/R組件的熱流密度進(jìn)一步加大，則矩形小通道將不再滿足其散熱需求，矩形微通道勢(shì)在必行。面對(duì)更窄更深的微通道，高速銑、焊接等傳統(tǒng)加工成型方式將不再滿足需求，增材制造等一些新型、前沿的成型方式將逐漸成為主流。如何推動(dòng)這些新型制造工藝技術(shù)在微通道線陣?yán)浒迳系膽?yīng)用將是今后研究的重點(diǎn)。