李漢林，譚公禮，陳 君

(中國船舶重工集團公司第七二三研究所，江蘇 揚州 225101)

0 引 言

有源相控陣雷達因其能實現(xiàn)多目標(biāo)處理、波束控制靈活、信號處理方便、可靠性高等特點而被廣泛應(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渡層解決這一矛盾，但在高頻率陣面上，過長的柔性電纜或過渡層的損耗會對雷達性能產(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組件散熱問題，國內(nèi)科研人員對微通道冷板流道截面形狀、流道結(jié)構(gòu)形式等[2-3]展開了研究，取得了很大進展，但由于制造工藝等因素的局限，目前實際工程應(yīng)用的微通道冷板極少；常規(guī)流道(流道直徑毫米級)冷板依舊是主流的散熱方式。

1 設(shè)計思路及難點分析

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較大，組件熱流密度相對較低，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；且射頻鏈路對電纜傳輸損耗的容忍度相對較高，組件通過電纜或過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)計有如下特點：組件熱流密度相對較大且熱源集中；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射頻鏈路極為敏感，如采用電纜、過渡層等方案，傳輸損耗可能將主信號消耗完，導(dǎo)致陣面無法使用。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，提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

基于上述思考，本文針對某高頻率、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，而是一個機、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，沒有可用空間進行加強，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，遠大于天線間距；沒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，布置流道的空間很小；

(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

針對上述技術(shù)難點，本文從兩個方面提出了解決方案：一是將2塊冷板有機地結(jié)合在一起，充分利用2塊冷板的厚度進行結(jié)構(gòu)布局；二是利用拓撲優(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外安裝螺釘，保證插拔順利及安裝強度；2塊冷板水接頭位置相互嵌套，錯位布置，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度。

圖1 組合式冷板外形圖

圖2 組合式冷板拆分圖

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

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)計經(jīng)驗，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，但過窄的流道會增大冷板流阻、制造難度及成本上升、可靠性降低。

經(jīng)多輪拓撲優(yōu)化，本冷板選擇流道寬度為0.5 mm，冷板流道如圖4所示，進出水口設(shè)置靜壓腔，保證冷卻液流動均勻；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軟件對冷板組合進行熱仿真，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軟件對流道進行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軟件對冷板進行沖擊仿真，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；滿足機械性能要求。

圖7 沖擊仿真結(jié)果

2.3 工藝實現(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，低于母材融化溫度，利用液態(tài)釬料潤濕母材，填充接頭間隙并與母材相互擴散形成連接。

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

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

焊接前，用同批次鋁材制造試棒及試件，進行焊接性能測試，固化焊接參數(shù)及焊接環(huán)境；冷板毛坯焊接完成后，對其進行耐壓、流量、流阻、X光檢測，檢驗合格后方能轉(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，加工時先將上、下冷板毛坯用定位銷進行定位，組合在一起加工大體外輪廓；完成后拆分開，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，以下幾點需特別注意：

(1) 采用熱處理、慢進刀、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，用專用工裝保護流道，禁止加工金屬屑進入流道；

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

3 實物驗證

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

圖8 集成冷板外形圖

對冷板進行1.6 MPa氮氣沖壓，放入水中靜置15 min，如圖9所示，水內(nèi)沒有氣泡涌出，經(jīng)測量冷板表面平面度保壓前后無明顯變化，流道耐壓符合設(shè)計要求。

圖9 保壓試驗結(jié)果

如圖10所示，搭建專用的測試系統(tǒng)對冷板換熱性能進行驗證。

圖10 測試平臺

經(jīng)測試，如圖11所示，冷板表面溫度為67.4 ℃。通過進出口溫差計算，得出冷卻液帶走的熱量與所加熱負載匹配，表明冷板換熱滿足要求。

圖11 熱測試結(jié)果

如圖12所示，在CNC投影儀下放大倍數(shù)，逐個檢查絕緣子安裝孔。可以看出，絕緣子內(nèi)無毛刺、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

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、電、液一體化設(shè)計方向發(fā)展。本文采用合理的結(jié)構(gòu)形式，通過工藝摸索，成功研制出符合要求的冷板，目前該型冷板已應(yīng)用于實際項目。本文中冷板的結(jié)構(gòu)形式、流道優(yōu)化手段、工藝探討等對高頻有源相控陣面結(jié)構(gòu)設(shè)計有一定的指導(dǎo)意義。