蘇力爭，鐘劍鋒，2，唐寶富，2，姚 曄

(1. 南京電子技術研究所， 江蘇 南京 210039；2. 天線與微波技術國防科技重點實驗室， 江蘇 南京 210039)

高效熱擴展技術在干式T/R組件散熱中的對比研究

蘇力爭1，鐘劍鋒1，2，唐寶富1，2，姚 曄1

(1. 南京電子技術研究所， 江蘇 南京 210039；2. 天線與微波技術國防科技重點實驗室， 江蘇 南京 210039)

T/R組件散熱是有源相控陣雷達領域的重要課題，大功耗、高熱流密度器件在冷板上會形成局部熱障，產(chǎn)生擴展熱阻。文中以干式風冷T/R組件散熱為研究對象，采用三維數(shù)值模擬方法對鋁冷板、金剛石/銅、熱管及蒸汽腔等高效熱擴展技術進行了對比研究，探討了導熱系數(shù)、冷板厚度、對流換熱系數(shù)對擴展熱阻的影響規(guī)律。結果表明，提高冷板的等效換熱系數(shù)是減小擴展熱阻、強化傳熱最有效的途徑之一。同時合理優(yōu)化冷板厚度及散熱器對流換熱系數(shù)能有效降低高熱流密度器件的工作溫度。

干式T/R組件；擴展熱阻；熱管；蒸汽腔

引 言

T/R組件是有源相控陣雷達的核心部件，是實現(xiàn)和保證雷達整機性能的關鍵。伴隨著電子產(chǎn)業(yè)高性能、微型化、集成化的三大發(fā)展趨勢，作為電子設備核心的芯片的功耗越來越大，產(chǎn)生的熱量也隨之增加。資料表明，功率晶體管內(nèi)PN結溫每增加10 ℃，其可靠性下降60%，直接影響管子輸出功率、效率等的性能[1]，散熱逐漸成為雷達設計的瓶頸之一。因此，減少擴展熱阻，提高冷板均溫性能對高熱流密度T/R組件的散熱至關重要。

總體來說，T/R組件的散熱可以分為兩個步驟，第一步是單個晶體管產(chǎn)生的熱量被傳導至封裝外殼，第二步是通過多種介質(zhì)將熱量從封裝外殼擴散到環(huán)境中。具體設計上存在兩種形式，一種是將冷板直接置于殼體的正下方，另一種是將冷板置于組件殼體的另一端，中間通過導熱段進行熱量傳遞。第二種方式稱為干式T/R組件，具有組件插拔過程中無冷卻液泄漏、組件殼體處不會出現(xiàn)結露以及維護簡單等優(yōu)點。目前，針對不同的雷達平臺，通常采用強迫風冷和液體冷卻。其中液體冷卻具有溫度梯度小，結構緊湊，噪音小的優(yōu)點，但系統(tǒng)比較復雜，設備費用高，維護較困難，而且防凍液存在易堵塞、泄露以及腐蝕金屬結構等問題。強迫風冷雖然冷卻效率比液體冷卻差，但可靠性高，維護方便。

為滿足高熱流密度干式風冷T/R組件的散熱需求，僅僅靠增大對流換熱系數(shù)和散熱面積等方法是不可行的，研究如何有效地將熱量從相對較小的熱源面積擴散到大面積的熱擴展體上已成為十分重要的課題[2]。在廣泛使用的鋁制冷板不能滿足散熱需求的情況下，利用熱擴展性能好的新材料和新技術如金剛石/銅復合材料、相變技術、微/宏熱管[3]、蒸汽腔[4]、熱電制冷技術[5]、液體噴霧冷卻及微通道技術[6]等，使冷板溫度場擴展得更加均勻成為解決T/R組件散熱的有效途徑。

本文將以干式風冷T/R組件散熱為研究對象，對其冷卻系統(tǒng)進行整體三維數(shù)值模擬。分別將金剛石/銅復合材料、熱管、蒸汽腔作為傳熱通道進行計算，探索不同高效熱擴展技術對冷板強化傳熱的影響規(guī)律，以期為高熱流密度T/R組件冷卻設計提供指導。

1 擴展熱阻影響因素分析

從常規(guī)液冷與干式液冷冷卻方式傳熱過程示意圖(圖1)可以看出，干式冷卻方式熱傳輸路徑長，擴展熱阻更大，需對擴展熱阻的影響因素進行分析，以便有針對性地進行研究。

圖1 常規(guī)液冷與干式液冷冷卻方式傳熱過程示意圖

在幾何尺寸和結構布局既定的情況下，總擴展熱阻Rt=f(k,t,h)。 以下就導熱系數(shù)k、厚度t和對流換熱系數(shù)h對擴展熱阻的影響分別展開討論。

熱傳導問題通常用傅里葉定律來描述，形式如下：

J=-κT

式中：J為體系的熱流密度，即單位時間通過單位面積的熱量；T為材料中的溫度梯度；κ為材料的熱導率。從傅里葉定律可以看出，在系統(tǒng)兩端溫度差固定的情況下，材料熱導率提高，能傳導的熱量也隨之增加，可以采用高導熱材料來提高散熱能力。但在多數(shù)情況下，使用一維穩(wěn)態(tài)傳導熱阻分析熱問題是不充分的，多維傳熱效應必須被考慮。如果冷板尺寸足夠大，雖然對流換熱面積增大，但由于溫度場沒有得到很好的擴散，使得熱源局部熱區(qū)溫度高，而冷板邊緣區(qū)域的溫度接近于工作環(huán)境溫度，結果并不能顯著提高散熱性能，反而會增加重量和造成大的能量消耗。

另一個影響因素是厚度，較大的厚度會增加傳導熱阻，但對于由高導熱金屬材料制造的熱擴展體來說，在一定的厚度范圍之內(nèi)，增加冷板厚度t對擴展熱阻的改善效果明顯。當板厚增加到一定數(shù)值后對擴展熱阻的改善效果已很不明顯，而且還會顯著加大傳導熱阻，引起總熱阻的增加。

最后一個因素是對流換熱系數(shù)h，流量越大，h越大，溫升越小，散熱效果越好，但流量增加到一定值后，變化曲線趨于平緩，散熱效果改善也越來越不明顯。

2 三維T/R組件有限元建模

2.1 物理仿真模型

由于T/R組件體積較小，內(nèi)部安裝元器件數(shù)量多，根據(jù)發(fā)熱元件在組件內(nèi)的具體位置，建立了干式T/R組件熱分析模型，見圖2。殼體分置于T形板的兩側(cè)，熱源通過殼體和T形板的散熱通道將熱量傳導到散熱器上，為了提高熱源1和熱源2的熱擴展能力，在T形板的熱源正下方嵌入高導熱材料擴展體。

圖2 T/R組件熱分析模型

表1為T/R組件熱耗參數(shù)。其中，熱源1的單個熱耗為40 W，熱源2的單個熱耗為5 W，熱源3的尺寸為40 mm × 40 mm × 3.5 mm，熱耗為10 W，3熱源總熱耗370 W，平面分布見圖2，T/R組件散熱冷板的外形尺寸為86 mm × 60 mm × 350 mm。

表1 T/R組件熱耗參數(shù)

2.2 材料性能

在該模型中，對T形板、擴展體及導熱管設置不同材料，對比研究材料導熱性能對溫度場的影響，探索降低發(fā)熱器件溫度的技術途徑。具體分為5種冷卻方式，見表2。

表2 冷卻方式設置

高金剛石含量金剛石/銅復合材料綜合了銅和金剛石的優(yōu)良性能，熱導率達到650 W/(m·K)以上，屬于超高熱導材料，幾乎為鋁合金的4倍，使得集中熱源處的熱擴散能力得到加強，溫度場的均勻性有所改善，最高溫度也隨之下降。

熱管作為一種高效傳熱元件，具有極高的導熱性、高散熱效率等特點，非常適合于小溫差高熱流密度條件下的散熱。將熱管技術應用于高熱流密度器件的冷卻，已經(jīng)成為當前T/R組件散熱方式的發(fā)展趨勢。在鋁合金冷板上嵌入熱管，通過熱管的超導熱特性使局部熱源產(chǎn)生的熱量快速擴展到離熱源更遠的散熱區(qū)域，以有效減少擴展熱阻。散熱器里內(nèi)嵌熱管的工藝現(xiàn)在已較為成熟，可加工成各種形狀和尺寸。

相變均溫板為平板狀結構，內(nèi)部加工為蒸汽腔(Vapor Chamber，VC)充填工質(zhì)。通過工質(zhì)的蒸發(fā)和冷凝將熱量擴散到整個均溫板的表面，從而降低熱流密度。從外形結構上看均溫板與熱管非常相似，不同的是：熱管的一端為蒸發(fā)段，另一端為冷卻段，只能進行單向熱傳輸，而均溫板則一面為蒸發(fā)面，相對面(或包含其余各側(cè)面)為冷卻面，可以實現(xiàn)全向熱傳輸，因此具有優(yōu)越的均溫性和熱運輸能力。

因為熱管及蒸汽腔特性過于復雜而難以模擬，在數(shù)值分析時使用等效導熱系數(shù)keff來處理熱管及蒸汽腔的計算，取熱管的keff為8 000 W/(m·℃)，蒸汽腔的keff為4 000 W/(m·℃)。

2.3 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分采用非結構化四面體和六面體結構化網(wǎng)格，由于組件結構不規(guī)則，需要對整個計算區(qū)域劃分成幾個子域進行網(wǎng)格劃分。散熱器翅片及熱源設定的網(wǎng)格步長為0.5，殼體、冷板網(wǎng)格步長為2，建立的整個實體三維網(wǎng)格總數(shù)為166 696，節(jié)點數(shù)為34 471。

2.4 有限元方程及邊界條件

三維直角坐標系中的瞬態(tài)溫度場場變量T(x,y,z,t)滿足

(1)

式中：?T/?x、?T/?y、?T/?z為沿x、y、z方向的溫度梯度；λxx、λyy、λzz為熱導率；qo為單位體積的熱生成；ρ為密度；c為比熱容；dT/dt為溫度隨時間的變化率。

(2)

式中：Vx、Vy、Vz為媒介傳導速率。對于穩(wěn)態(tài)熱分析?T/?t=0，式(1)可簡化為

(3)

根據(jù)式(3)加上邊界條件與初始條件，利用迭代法或者消去法求解，得出熱分析結果。

計算中整體模型的邊界條件：散熱器環(huán)境溫度55 ℃，散熱器表面等效換熱系數(shù)33～100 W/(m2·℃)。

3 結果與分析

圖3為不同冷卻方式下的熱源最高溫度。由圖可見，鋁冷板和經(jīng)過高導熱材料擴展后的冷板相比，最高溫度相差很大。冷板的等效導熱系數(shù)越大，發(fā)熱器件的最高溫度越小。以熱源1為例，5種冷卻方式的最高溫度分別為148.5 ℃、144.3 ℃、125.8 ℃、123.8 ℃、114.9 ℃，T形VC板比鋁合金冷板溫度改善22.6%，從而證明提高冷板的等效換熱系數(shù)是減小擴展熱阻、強化傳熱最有效途徑之一，當冷板厚度t和散熱器對流換熱系數(shù)h對減小擴展熱阻及溫升不能發(fā)揮積極作用時，有必要使用導熱系數(shù)k大的材料。

圖3 不同冷卻方式下的熱源最高溫度(h=33 W·m-2·℃-1，t=8 mm)

圖4所示為熱源1區(qū)域8個監(jiān)測點的溫度分布，可以反映嵌入VC板后溫度的改善效果。從圖中可以看出，嵌熱管時，熱源1區(qū)域8個監(jiān)測點之間的溫差為4.6 ℃，在熱源下嵌入VC板后，溫差降低3 ℃。兩種狀態(tài)下，器件的最高溫度分別為125.7 ℃和123.7 ℃。綜合分析可知，VC板可以有效地擴散熱量，減小集中熱源溫度，具有均溫效果，但改善并不明顯，在當前實際設計中沒有必要將擴展體設置為VC板，以降低成本。

圖4 熱源1區(qū)域8個監(jiān)測點的溫度分布(h=33 W·m-2·℃-1，t=8 mm)

圖5為在其他因素不變的情況下，散熱器等效換熱系數(shù)對發(fā)熱器件最高溫度的影響。從圖中可以看出，風流量越大，對流換熱系數(shù)越大，溫升越小，散熱效果越好。但流量增加到一定值后，變化曲線趨于平緩，散熱效果改善也越來越不明顯。以嵌熱管為例，當?shù)刃Q熱系數(shù)從33 W/(m2·℃)增加到63 W/(m2·℃)時，熱源1區(qū)域的最高溫度從125.8 ℃降低到112.5 ℃，溫度分布云圖見圖6(a)。而等效換熱系數(shù)從63 W/(m2·℃)增加到98 W/(m2·℃)，引起的溫度改善為5 ℃，而且隨著流量的增大，壓力損失也越來越大，散熱效率降低。因此，在實際工程應用中，不能僅僅依靠加大風量來改善散熱效果，需結合其他因素綜合考慮。

圖5 熱源1的最高溫度和等效換熱系數(shù)的關系

圖6 兩種冷卻方式下熱源1區(qū)域的溫度分布云圖(h=33 W·m-2·℃-1，t=8 mm)

對于由高導熱材料制造的冷板，在一定的厚度范圍之內(nèi)，增加冷板厚度t對擴展熱阻的改善效果明顯。但較大的厚度會增加傳導熱阻，當板厚增加到一定數(shù)值后對擴展熱阻的改善效果已很不明顯，而且還會顯著加大傳導熱阻，引起總熱阻的增加。圖7為在其他因素不變的情況下，冷板厚度對熱源1區(qū)域最高溫度的影響。從圖中可以看出，冷板厚度從6 mm到10 mm，隨著厚度的增加，冷板變重，但擴展熱阻卻逐步改善，以T形VC板為例，最高溫度降低5℃，冷板厚度為12 mm時，最高溫度反而上升。因此在該設計中，冷板厚度以選取10 mm為佳。

圖7 不同冷板厚度對熱源1區(qū)域最高溫度的影響(h=33 W·m-2·℃-1)

對雷達陣面單個T/R組件進行三維熱分析的結果，對設計T/R組件的冷卻方式、冷板厚度及等效換熱系數(shù)等參數(shù)的制定提供了較合理的仿真數(shù)據(jù)。根據(jù)分析結果，對于干式T/R組件，采用T形VC板，冷板厚度設定為10 mm，等效換熱系數(shù)為58.9 W/(m2·℃)時，熱源1、2、3的溫度分別為98.3 ℃、79.5 ℃、77.6 ℃，能夠滿足設計指標。但是，組件的熱源分布作了相應的簡化，不能完全說明整個陣面的散熱情況，僅為深入設計提供理論指導，與實際情況存在一定的誤差，尚需通過實驗來進一步驗證。

4 結束語

減小擴展熱阻對高熱流密度T/R組件的散熱至關重要。冷板厚度、對流換熱系數(shù)和導熱系數(shù)是影響擴展熱阻的3個參數(shù)。通過合理優(yōu)化，可以最大限度地提高強化傳熱的效率，從而滿足設計要求，具體結論如下：

1)通過使用新材料和新技術等手段來提高熱擴展體的等效換熱系數(shù)是減小擴展熱阻、強化傳熱最有效的途徑之一。

2)冷板厚度對擴展熱阻的改善具有最優(yōu)值，并非越大越好。在本文組件設計中，冷板厚度以選取10 mm為佳。

3)散熱器對流換熱系數(shù)越大，溫升越小，但不能僅僅依靠加大風量來改善散熱效果。而且隨著流量的增大，壓力損失也越來越大，應結合翅片結構合理優(yōu)化。

[1] 平麗浩. 雷達熱控技術現(xiàn)狀及發(fā)展方向[J]. 現(xiàn)代雷達, 2009, 31(5): 1-6.

[2] 周俊, 李保文. 微納米電子器件散熱過程中的物理問題[J]. 物理, 2013, 42(2): 88-99.

[3] VASILIEV L L. Micro and miniature heat pipes-electronic component coolers[J]. Applied Thermal Engneering, 2008, 28(4): 266-273.

[4] CHEN Y S, CHIEN K H, WANG C C, et a1. Investigations of the thermal spreading effects of rectangular conduction plates and vapor chamber[J]. Journa1 of Electronic Packaging, 2007, 129(3): 348-355.

[5] ZHANG H Y, MUI Y C, TARIN M. Analysis of thermoelectric cooler performance for high power electronic packages[J]. Applied Thermal Engineering, 2010, 30(6-7): 561-568.

[6] WU X Y, WU H Y. Pressure drop and heat transfer of Al2O3H2O nanofluids through silicon microchannels[J]. Journal of Micromechanics and Microengineering, 2009, 19(10): 1-10.

蘇力爭(1980-)，男，高級工程師，研究方向為T/R組件及有源陣面結構。

鐘劍鋒(1967-)，男，研究員級高級工程師，研究方向為T/R組件及有源陣面結構。

唐寶富(1967-)，男，研究員級高級工程師，研究方向為有源陣面結構。

Comparison Research of High Efficiency Thermal Spreading Technology in Heat Dissipation of Dry-type T/R Module

SU Li-zheng1，ZHONG Jian-feng1,2，TANG Bao-fu1,2，YAO Ye1

(1.NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology，Nanjing210039,China；2.NationalKeyLaboratoryofAntennaandMicrowaveTechnology,Nanjing210039,China)

Heat dissipation of T/R module is an important topic in the area of active phased array radar. High power and high heat flux electronics cause hot spots in cold plate, and thermal spreading resistance arises. In this paper, the heat dissipation of dry-type T/R module is analyzed. High efficiency thermal spreading technology including aluminum cold plate, diamond/copper composite, heat pipe and vapor chamber are analyzed and compared using 3D numerical simulation method. The effects of thermal conduction coefficient, cold plate thickness and convection heat transfer coefficient on thermal spreading resistance are discussed. The results show that increasing equivalent thermal conduction coefficient of the cold plate is one of the most effective methods for thermal spreading resistance decreasing and heat transfer enhancement. At the same time, the operating temperature of the devices with high heat flux can be reduced effectively through the optimization of cold plate thickness and convection heat transfer coefficient.

dry-type T/R module; thermal spreading resistance; heat pipe; vapor chamber

2013-11-12

國防基礎科研重點資助項目(JCKY2013210B004)

TK124；TN959.1

A

1008-5300(2014)01-0007-04