32通道數(shù)字陣列模塊PCB散熱設(shè)計(jì)

王子君， 關(guān)宏山

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所， 安徽合肥 230088)

0 引言

數(shù)字陣列模塊(Digital Array Module，DAM)是數(shù)字相控陣天線的核心組成部分，主要負(fù)責(zé)多通道數(shù)字信號(hào)的收發(fā)和處理功能，同時(shí)也是天線陣面的主要熱源。隨著相控陣天線朝著高功率、高靈敏度和高分辨率方向發(fā)展，以及GaN類芯片的大范圍應(yīng)用，組件芯片熱流密度普遍達(dá)到100 W/m量級(jí)，并且逐漸向著1 000 W/m邁進(jìn)。因此，實(shí)現(xiàn)DAM的高效散熱便成了關(guān)鍵問題。研究表明，DAM性能受其內(nèi)部半導(dǎo)體器件溫度影響較大，散熱不暢將引起其幅度和相位的偏差。為保證其長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠的工作，必須采取有效的熱控手段以保證其工作溫度在許可范圍內(nèi)。

對(duì)于DAM散熱的研究，目前主要散熱方式有風(fēng)冷、液冷和兩相流冷卻。采用風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)的主動(dòng)式風(fēng)冷，因其成本低廉、使用方便，得以廣泛應(yīng)用，但散熱能力有限。隨著高集成、高功率和高熱耗DAM的需求不斷增長(zhǎng)，風(fēng)冷散熱方式已無(wú)法滿足高熱耗DAM的散熱需求。

為有效解決該問題，一種兩相冷卻系統(tǒng)被提出。Wits和Nikolaenko對(duì)兩相熱管用于雷達(dá)系統(tǒng)中功率器件的冷卻開展了實(shí)驗(yàn)研究。張根烜和Hartenstine提出將兩相閉式熱虹吸回路系統(tǒng)應(yīng)用于功率器件的冷卻，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了系統(tǒng)充液量、工作傾角等參數(shù)對(duì)系統(tǒng)散熱性能的影響。由于兩相流系統(tǒng)工質(zhì)的流動(dòng)依靠?jī)上嗔鞯暮缥?yīng)，對(duì)于微小型雷達(dá)系統(tǒng)的冷卻效果較好，很難應(yīng)用于大型復(fù)雜天線陣面的散熱。

為此，時(shí)海濤和Alpsan提出將液冷冷板應(yīng)用于雷達(dá)DAM組件的散熱，通過(guò)仿真分析對(duì)冷板流道結(jié)構(gòu)及其散熱性能進(jìn)行了優(yōu)化研究。為建立有源相控陣天線冷板通道的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，Park利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析的方法，評(píng)估了冷板內(nèi)流體流速、發(fā)射/接收模塊數(shù)量與冷板冷卻性能的關(guān)系。然而，上述文獻(xiàn)的研究焦點(diǎn)僅集中在冷板自身的結(jié)構(gòu)和流動(dòng)特性上(如研究新的冷板形式、流道類型等)。對(duì)于DAM內(nèi)元器件，其熱量如何傳遞至冷板，即元器件的散熱途徑問題很少有文獻(xiàn)開展研究。

本文首次針對(duì)32通道DAM開展散熱設(shè)計(jì)研究，提出采用雙層凸臺(tái)的設(shè)計(jì)方案，以解決DAM內(nèi)部大功率元器件的散熱途徑問題；提出冷板與DAM框架結(jié)合的一體化設(shè)計(jì)思路，以解決DAM結(jié)構(gòu)高集成度的需求。首先通過(guò)熱仿真手段對(duì)一體化設(shè)計(jì)方案進(jìn)行驗(yàn)證，并探索雙層凸臺(tái)的散熱機(jī)理。之后，設(shè)計(jì)不同寬度的凸臺(tái)，研究雙層凸臺(tái)尺寸對(duì)器件溫度的影響規(guī)律。

1 研究對(duì)象簡(jiǎn)介

1.1 結(jié)構(gòu)描述

DAM主體尺寸為232 mm×152 mm×37 mm(長(zhǎng)×寬×高)，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 1所示。DAM主要由印制電路板(PCB)、器件G、框架構(gòu)成，PCB和器件G通過(guò)多個(gè)螺釘固定在殼體上。PCB兩側(cè)均分布有元器件，其主要發(fā)熱器件布局如圖 2所示。PCB上所有器件均通過(guò)表貼焊接的方式安裝于PCB上。

圖1 DAM內(nèi)部結(jié)構(gòu)

(a) PCB上部 (b) PCB下部圖2 PCB主要器件布局

1.2 發(fā)熱器件熱耗參數(shù)

DAM發(fā)熱器件的熱耗值見表 1，整個(gè)DAM發(fā)熱量為317.9 W。其中，器件A的熱流密度最高，為11 W/cm。

表1 模塊主要設(shè)備熱量情況

2 關(guān)鍵問題及解決措施

本文研究的DAM模塊體積小、總體熱耗高、器件局部熱流密度大，為確保器件的正常工作，需保證DAM內(nèi)所有器件殼溫不超過(guò)85 ℃。由于熱耗大部分集中在PCB上，因而針對(duì)PCB上的器件，提出采用雙層凸臺(tái)+一體化液冷板的設(shè)計(jì)方案，如圖3所示。

圖3 DAM內(nèi)部器件傳熱路徑

對(duì)于PCB上部的器件(A、B、C、D)，通過(guò)在蓋板上設(shè)置凸臺(tái)，使熱量由器件傳導(dǎo)至蓋板，然后再通過(guò)框架傳導(dǎo)至冷板。同時(shí)，在冷板上設(shè)置凸臺(tái)，使器件熱量通過(guò)PCB傳導(dǎo)至凸臺(tái)，最后傳導(dǎo)至冷板。所有器件與凸臺(tái)接觸面墊導(dǎo)熱襯墊，導(dǎo)熱襯墊厚度為0.5 mm，熱導(dǎo)率為5 W/(m·℃)。蓋板與框架之間通過(guò)螺釘連接，接觸面涂導(dǎo)熱硅脂。

對(duì)于PCB下部的組件(E、F)，可通過(guò)與冷板直接接觸導(dǎo)熱，接觸面墊0.5 mm厚的導(dǎo)熱襯墊。

器件G則通過(guò)螺釘安裝在冷板下部，產(chǎn)生的熱量可直接傳導(dǎo)至冷板，其與冷板之間的接觸面涂導(dǎo)熱硅脂。

由于空間限制，DAM的液冷板采用與框架一體化加工。在框體中間的金屬板內(nèi)開設(shè)相應(yīng)的流道，依靠流道內(nèi)冷卻液的流動(dòng)與冷板進(jìn)行熱交換，從而帶走DAM的熱量，也即把框架中間的金屬板加工成液冷板。其中，冷板采用蛇形流道，并保證流道流經(jīng)主要發(fā)熱器件正下方。將冷板與框架結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)，中間的冷板不僅起到散熱作用，同時(shí)可作為PCB和四通道前端模塊的支撐結(jié)構(gòu)。冷板流道截面為矩形，尺寸為8 mm×4 mm(寬×高)，流道布局如圖4所示。由于器件A的熱流密度高，為強(qiáng)化冷板散熱效果，對(duì)于器件A下方的流道，在內(nèi)部增設(shè)三條散熱翅片，翅片厚1 mm，間距2 mm，同時(shí)拓寬流道截面至11 mm。

(a) 流道截面圖 (b) 流道透視圖圖4 冷板流道布局

3 模型構(gòu)建

3.1 材料物性

根據(jù)軟件建模以及模塊自身的特點(diǎn)，建模過(guò)程中對(duì)一些與散熱影響不大的細(xì)節(jié)特征進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化。主要簡(jiǎn)化內(nèi)容包括：

1) 忽略輻射散熱的影響；

2) 忽略了小圓孔、螺釘孔、倒角等特征；

3) 忽略了部分小的筋板；

4) 材料熱物性不隨溫度發(fā)生變化。

模型涉及的材料熱物性見表 2。考慮到環(huán)境適應(yīng)性，冷卻液選擇濃度60%的乙二醇溶液。PCB板材料熱導(dǎo)率設(shè)置為各向異性，沿PCB板厚度方向熱導(dǎo)率為0.5 W/(m·℃)，沿平面方向熱導(dǎo)率為42 W/(m·℃)?？蚣芗袄浒宀牧蠟殇X合金。

表2 材料熱物性參數(shù)

3.2 邊界條件

由于DAM的工作溫度范圍為-40～+55 ℃，計(jì)算時(shí)選取最高工作溫度55 ℃作為環(huán)境溫度。冷卻液流量為1.44×10m/s，入口溫度為30 ℃。冷卻液流動(dòng)粘度模型為層流，選取基于壓力-速度的耦合求解器，計(jì)算條件為穩(wěn)態(tài)。

3.3 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

為確保計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，需對(duì)模型的網(wǎng)格尺寸進(jìn)行分析。為此，分別對(duì)不同網(wǎng)格數(shù)量的模型開展計(jì)算，圖 5給出了器件A的溫度與網(wǎng)格數(shù)的關(guān)系?？梢钥闯?，當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量大于200萬(wàn)之后，器件A的溫度基本不變，表明計(jì)算結(jié)果與網(wǎng)格尺寸無(wú)關(guān)。因而，為獲得準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果，后續(xù)計(jì)算過(guò)程中模型網(wǎng)格數(shù)量保持在250萬(wàn)左右。

圖5 器件A溫度與網(wǎng)格數(shù)的關(guān)系

4 結(jié)果分析

4.1 凸臺(tái)形式影響分析

圖 6為環(huán)境溫度55 ℃情況下，擁有雙層凸臺(tái)的DAM內(nèi)部器件溫度分布云圖?？梢钥闯?，在30 ℃供液條件下DAM內(nèi)部器件A的溫度最高，達(dá)到83 ℃，表明所有器件均滿足殼溫低于85 ℃的冷卻要求。圖 7給出了DAM截面溫度云圖，對(duì)照?qǐng)D 3可知，雙層凸臺(tái)+一體化液冷板的設(shè)計(jì)使得DAM內(nèi)部器件擁有通暢的導(dǎo)熱路徑，保證了所有器件熱量均能快速地傳遞至冷板。對(duì)于器件A，通過(guò)提取內(nèi)部熱流密度，可得到器件A通過(guò)上凸臺(tái)傳導(dǎo)的平均熱量為8.4 W，通過(guò)下凸臺(tái)傳導(dǎo)的平均熱量為1.1 W，通過(guò)PCB橫向傳遞的平均熱量為1.5 W?？梢?，器件A的熱量主要通過(guò)上凸臺(tái)導(dǎo)出。盡管器件A是直接焊接在PCB上的，由于PCB的各向異性，其在厚度方向的熱導(dǎo)率僅為0.5 W/(m·℃)，縱向傳導(dǎo)熱阻較大，因而器件A的熱量很難通過(guò)PCB縱向傳導(dǎo)至下凸臺(tái)。同時(shí)，PCB在平面方向的熱導(dǎo)率為42 W/(m·℃)，橫向擴(kuò)展熱阻較小，因而器件A可通過(guò)PCB橫向傳導(dǎo)1.5 W的熱量。

(a) DAM

圖7 DAM截面溫度云圖

對(duì)于PCB上部的其他器件，其散熱機(jī)理與器件A相似。對(duì)于PCB下部的器件E和F，其直接與冷板接觸，因而其熱量可直接傳導(dǎo)至冷板。

作為對(duì)比，本文同樣研究了僅有上層凸臺(tái)和僅有下層凸臺(tái)時(shí)，DAM內(nèi)部器件的溫度水平，器件殼溫計(jì)算結(jié)果對(duì)比見表3?？梢钥闯?，僅有下層凸臺(tái)時(shí)，器件A、B、C和D的殼溫嚴(yán)重超出指標(biāo)要求。僅有上層凸臺(tái)時(shí)，雖然器件溫度水平與下層凸臺(tái)形式相比得到大幅降低，但器件A的溫度仍舊不滿足指標(biāo)要求。因而可以看出，對(duì)于雙層凸臺(tái)的散熱形式，器件A、B、C、D的熱量主要通過(guò)上層凸臺(tái)導(dǎo)出，這一點(diǎn)與前述分析結(jié)果一致。

表3 不同凸臺(tái)形式時(shí)的器件殼溫 ℃

4.2 凸臺(tái)尺寸影響分析

為研究雙層凸臺(tái)尺寸對(duì)器件溫度的影響，以器件A位置處的凸臺(tái)為研究對(duì)象，分別設(shè)計(jì)了不同寬度的凸臺(tái)。以凸臺(tái)寬度與器件寬度的比值為分析對(duì)象，分別取1∶3、1∶2、1∶1、2∶1、3∶1、4∶1(上下凸臺(tái)寬度相同)，相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果如圖 8所示?？梢钥闯?，當(dāng)值由1∶3增大至1∶1時(shí)，器件A的溫度顯著降低，也即凸臺(tái)尺寸越大，散熱能力顯著提高；當(dāng)值大于1∶1后，凸臺(tái)尺寸的增大對(duì)散熱能力提升的貢獻(xiàn)并不顯著。該現(xiàn)象可由凸臺(tái)的擴(kuò)展熱阻來(lái)解釋。當(dāng)凸臺(tái)尺寸較小時(shí)，影響凸臺(tái)散熱的瓶頸在于凸臺(tái)的橫向擴(kuò)展熱阻較大。隨著凸臺(tái)的值增大至1∶1，凸臺(tái)橫向擴(kuò)展熱阻顯著減小，因而器件溫度顯著降低。當(dāng)值大于1∶1，此時(shí)散熱瓶頸在于凸臺(tái)的縱向?qū)釤嶙?，因而繼續(xù)增大凸臺(tái)寬度，對(duì)散熱能力的提升較小。因此，工程設(shè)計(jì)中建議值應(yīng)大于1∶1。

圖8 凸臺(tái)/器件寬度比ε對(duì)器件A溫度的影響

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)32通道DAM散熱問題，采用了雙層凸臺(tái)和一體化冷板的設(shè)計(jì)方案，熱分析結(jié)果表明，DAM內(nèi)部器件最高殼溫為83 ℃，滿足器件殼溫不超過(guò)85 ℃的要求。同時(shí)，通過(guò)對(duì)凸臺(tái)導(dǎo)熱路徑的分析，闡述了雙層凸臺(tái)的散熱機(jī)理。最后，研究了凸臺(tái)寬度對(duì)器件溫度的影響，建議凸臺(tái)/器件寬度比應(yīng)大于1∶1。本文提出的設(shè)計(jì)思路，可為多通道DAM的散熱問題提供更有效的解決手段。