雷達制導(dǎo)部件高熱流密度組件散熱技術(shù)

陳世鋒

(中國空空導(dǎo)彈研究院， 河南 洛陽 471009)

雷達制導(dǎo)部件高熱流密度組件散熱技術(shù)

陳世鋒

(中國空空導(dǎo)彈研究院， 河南 洛陽 471009)

隨著軍用電子器件和微波器件的發(fā)展，高功率密度器件在軍用電子裝備上得到更為廣泛的應(yīng)用。軍用電子裝備的功率密度越來越大，對散熱技術(shù)的要求也越來越高。文中針對彈載雷達高熱流密度組件的散熱問題，論述了一種基于均溫板的強迫液冷散熱方法，并對設(shè)計分別進行了120 s時瞬態(tài)分析和穩(wěn)態(tài)分析。分析結(jié)果表明，高熱流密度芯片能夠正常工作，可以保證彈載雷達制導(dǎo)部件的工作要求和連續(xù)性測試需求。

彈載平臺；高熱流密度；熱設(shè)計；液冷

引 言

雷達制導(dǎo)部件是雷達制導(dǎo)導(dǎo)彈的核心裝置之一，其性能決定著導(dǎo)彈的作戰(zhàn)效能。為了滿足未來復(fù)雜的戰(zhàn)場環(huán)境，超大規(guī)模集成電路、高速計算機、先進固態(tài)器件及光電子技術(shù)在雷達制導(dǎo)系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，彈載雷達制導(dǎo)系統(tǒng)朝著大功率、高波段、全波形、多模復(fù)合和智能型方向發(fā)展。由于彈載平臺系統(tǒng)空間的限制，以及大功率集成封裝模塊的應(yīng)用，導(dǎo)致雷達制導(dǎo)部件的熱流密度很大，帶來嚴重的散熱問題。

彈載雷達產(chǎn)品在戰(zhàn)場條件下的工作時間有限，因此彈載雷達部件的熱設(shè)計無須像機載雷達和其他電子裝備一樣要保證雷達長時間工作的溫度要求，但是往往彈載雷達在測試過程中，測試人員希望雷達能夠滿足連續(xù)性測試的要求，以提高測試效率和縮短產(chǎn)品交付周期。國內(nèi)外學(xué)者對強迫液冷散熱技術(shù)的研究與應(yīng)用已經(jīng)相對成熟[1-7]，但是基于彈載平臺狹小空間的工程應(yīng)用較少，本文從某彈載雷達制導(dǎo)部件高熱流密度組件熱設(shè)計入手，對彈載雷達的散熱技術(shù)進行研究，介紹一種基于彈載平臺的均溫板高效導(dǎo)熱液冷散熱方案。

1 高熱流密度組件熱設(shè)計

1.1 問題描述

某高熱流密度組件的主要發(fā)熱部件是尺寸為3 mm × 3 mm × 1.5 mm的封裝芯片，單個芯片熱耗為20W。高熱流密度組件的尺寸為36mm×60mm×7 mm，包含4個芯片，總熱耗為80 W。由于彈載平臺的空間限制，需要將兩個尺寸為36mm×60mm×7 mm的模塊組安裝在厚度為4 mm的基板上。芯片允許的最高溫度為150 ℃，導(dǎo)彈的工作環(huán)境規(guī)定組件的環(huán)境溫度為70 ℃。

1.2 熱設(shè)計方案確定

雷達系統(tǒng)電子設(shè)備的熱設(shè)計首先要考慮電子元器件的發(fā)熱密度，其次是元器件的工作狀態(tài)、設(shè)備復(fù)雜性、空間、功耗大小、環(huán)境條件以及經(jīng)濟性。綜合考慮各方面的因素，散熱設(shè)計既要能滿足雷達熱設(shè)計的要求，又要能達到電訊性能指標，并且所用的代價最小，結(jié)構(gòu)緊湊，工作可靠[8]。

由于彈載雷達制導(dǎo)部件工作條件的特殊性，以及彈載平臺狹小空間的局限性，限制了散熱技術(shù)的應(yīng)用?？湛諏?dǎo)彈工作時間有限，在一定的功率密度范圍內(nèi)，依靠結(jié)構(gòu)件作為熱沉能夠滿足工作狀態(tài)的散熱要求。但是相比戰(zhàn)場工作環(huán)境，雷達制導(dǎo)部件地面測試對散熱設(shè)計的要求更為苛刻，雷達制導(dǎo)部件地面測試除了需要滿足基本工作環(huán)境條件外，為了提高測試效率以縮短型號周期，還需要雷達制導(dǎo)部件能夠進行連續(xù)測試。本文討論的高熱流密度組件的散熱技術(shù)，就是針對雷達制導(dǎo)部件地面測試連續(xù)工作條件下的熱設(shè)計。

1.3 熱傳遞方式

熱傳遞有3種方式，熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射。熱傳導(dǎo)是用熱傳導(dǎo)系數(shù)較大的材料(一般采用固體)作熱導(dǎo)體，將熱量由高溫端傳到低溫端；熱對流是固體表面與流體表面的熱流動，有自然對流和強迫對流之分；熱輻射是利用發(fā)熱體(熱源)具有輻射熱射線(電磁波)能力，將熱量以光速從高溫區(qū)射向低溫區(qū)。

1.4 冷卻方式的選擇

冷卻方式選擇要考慮熱流密度與允許溫升。經(jīng)計算，芯片熱流密度達55.6 W/cm2，根據(jù)圖1[9]并綜合考慮地面測試的工作情況，選擇強迫液冷散熱方式。

圖1 各種冷卻方式下溫升與熱流密度的關(guān)系

均溫板(Vapor Chamber)是一種高熱流密度傳熱組件，其熱阻隨加熱功率的增大而減小，并逐漸趨于平緩。均溫板的熱阻在總熱阻中只占較小比例，其值在功率大于140 W時，小于0.05[10]。受限于彈載平臺的狹小封閉空間，高熱流密度組件芯片的熱量通過厚度為4 mm的均溫板傳遞出來，然后通過液冷冷板進行強迫液冷散熱。

2 高熱流密度組件熱分析

本文研究的某雷達制導(dǎo)部件高熱流密度組件在雷達系統(tǒng)中呈陣列式分布，各組件中主要發(fā)熱部件是高密度封裝芯片，為了簡化熱模型，提高解算速度，忽略了發(fā)熱量相對較小的功率器件，對組件進行熱仿真分析。芯片的熱量由均溫板向后傳遞，由液冷冷板進行散熱，熱模型如圖2所示。

圖2 熱模型

2.1 物理模型

本文的散熱研究采用UG NX軟件CAE功能中的NX THERMAL/FLOW模塊仿真，結(jié)構(gòu)模型采用UG NX建立。對結(jié)構(gòu)模型進行簡化處理，處理后的模型如圖3所示。模型包括芯片(兩側(cè)各4個)、均溫板和冷板，采用的某型均溫板熱傳導(dǎo)系數(shù)為5 000 W/(m·K)，均溫板的基板為銅材，冷板基板材質(zhì)為鋁3A21，流體的模型如圖4所示。

圖3 簡化處理后的模型

圖4 流體模型

本文求解的熱模型是固體-流體耦合傳熱問題，解算過程中同時求解連續(xù)性方程、動量方程和能量方程，解算前做如下假設(shè)：

1)設(shè)定冷卻液為不可壓縮、常物性流體；

2)流體壁面為無滑壁；

3)不考慮自然對流和輻射換熱；

4)冷板與均溫板的接觸面除外，其余面設(shè)置為絕熱。

2.2 網(wǎng)格劃分與定義邊界條件

進入UG NX的高級仿真模塊，在仿真導(dǎo)航器中新建FEM，設(shè)置求解器和分析類型，對芯片和均溫板賦予相應(yīng)的材料屬性，并進行3D四面體網(wǎng)格劃分，如圖5所示。固體域的網(wǎng)格劃分共包括71 984個單元，在UG NX的CAE分析中，流體網(wǎng)格是不需要單獨劃分的，在定義邊界條件時，只需定義流體域，在求解過程中，解算器先自動進行流體網(wǎng)格劃分，然后進行求解計算。

圖5 網(wǎng)格劃分

分別對進口邊界條件、出口邊界條件、流體域以及接觸邊界條件進行設(shè)置。進口邊界條件設(shè)置為流量邊界條件、出口設(shè)置為opening，流體設(shè)置為水，環(huán)境溫度為70 ℃。

2.3 仿真模擬及結(jié)果分析

對案例進行求解計算，分別進行瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)數(shù)值仿真，瞬態(tài)模擬120 s時的溫度場及流場。瞬態(tài)分析是為了模擬空空導(dǎo)彈實際工作條件下的溫度場分布，穩(wěn)態(tài)分析是為了模擬地面測試以及掛飛試驗中的溫度場分布。分析結(jié)果的溫度云圖、壓力云圖如圖6～圖9所示。

圖6 瞬態(tài)120 s時溫度云圖

圖7 穩(wěn)態(tài)溫度云圖

圖8 瞬態(tài)分析某監(jiān)測點溫度曲線

圖9 速度云圖與壓力云圖

(1)溫度場

由圖6～圖8的仿真結(jié)果可知，對于瞬態(tài)分析，溫度的最大值為101 ℃，前10 s溫度線性增加，11 s～23 s溫度增加緩慢，23 s時溫度達到98 ℃，23 s之后溫度緩慢增加到101 ℃。瞬態(tài)分析的結(jié)果表明此種散熱技術(shù)能夠滿足芯片的工作溫度要求。對于穩(wěn)態(tài)分析，當溫度場達到穩(wěn)態(tài)后，芯片的最高溫度穩(wěn)定在99 ℃。分析結(jié)果表明，此種散熱方式能夠保證掛飛試驗和地面測試的連續(xù)工作溫度要求。

(2)流場

圖9(a)反應(yīng)了流體的流動情況，流體無靜壓區(qū)，沒有大量的能量損失，流體流動狀況良好，流道區(qū)域散熱均勻[11]。

(3)壓力場

圖9(b)反應(yīng)了流體的壓力分布情況，在流道拐彎處，壓力變化明顯，壓力損失最大。

3 結(jié)束語

均溫板在彈載平臺的使用給狹小空間的散熱設(shè)計提供了新的思路。但是均溫板的熱傳導(dǎo)能力受過載力的影響較為明顯，在現(xiàn)有的熱流密度條件下，滿足空空導(dǎo)彈工作要求和測試要求。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，空空導(dǎo)彈雷達系統(tǒng)部件的熱流密度必然顯著增加，如何設(shè)計均溫板以提高抗過載能力是解決狹小空間散熱問題的關(guān)鍵。

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陳世鋒(1984-)，男，助理工程師，主要研究方向為雷達制導(dǎo)部件結(jié)構(gòu)綜合設(shè)計及熱設(shè)計。

Heat Dissipation Technology of High Heat Flux Components on Radar Guidance Assembly

CHEN Shi-feng

(ChinaAirborneMissileAcademy,Luoyang471009,China)

With the development of military electronic device and microwave device, high power density device is more widely used in military electronic equipment. The power density of these devices is getting higher and higher, therefore the demands of heat dissipation increase. The article discusses a forced liquid-cooling heat dissipation technology based on vapor chamber for high heat flux components of missile-borne radar. Transient temperature distribution at 120 s and steady temperature distribution of the thermal model are simulated. Analysis result shows that the high heat flux chips could work well. The working condition requirements and the uninterrupted test requirements of the radar guidance assembly can be guaranteed.

missile-borne platform; high heat flux; thermal design; liquid cooling

2013-11-16

TN830.5

A

1008-5300(2014)02-0012-04