內(nèi)置微通道T/R組件殼體設(shè)計及試驗研究*

丁承文，呂 輝

（南京電子技術(shù)研究所，江蘇 南京 210039）

引 言

隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，微型化、高集成、大功率電子器件得到廣泛應(yīng)用。相控陣?yán)走_(dá)及電子裝備工作的可靠性對溫度條件十分敏感，在長期過熱及不均勻熱應(yīng)力的作用下都會發(fā)生故障或失效[1-2]。有源相控陣技術(shù)因其優(yōu)良的綜合性能而成為雷達(dá)領(lǐng)域的重要發(fā)展方向。雷達(dá)系統(tǒng)的組裝密度越來越高，致使電子元器件的熱流密度急劇上升，高功率密度散熱困難問題日益突出[3]。未來雷達(dá)用T/R組件的熱流密度有可能突破1 000 W/cm2，而目前T/R組件的熱控能力水平還需要進(jìn)一步提高[4]。微通道的冷板構(gòu)件具有很大的比表面積，冷卻介質(zhì)在微細(xì)尺度效應(yīng)下，液體與固體之間以及液體分子之間的吸引力、液體的表面張力變得十分顯著，冷卻介質(zhì)在微尺度效應(yīng)下能夠?qū)崿F(xiàn)高效散熱。微通道散熱技術(shù)的出現(xiàn)為解決新一代高功率芯片的散熱問題提供了新方法，成為近年來受到廣泛關(guān)注的一項技術(shù)[5-7]。

常規(guī)的組件外置液冷板散熱模式是獨立制備高功率T/R組件和冷板構(gòu)件，通過外部鎖緊機(jī)構(gòu)將二者緊密貼合，進(jìn)行熱量傳導(dǎo)交換。這種結(jié)構(gòu)形式存在裝配界面，界面間熱阻大大制約了微通道的散熱效能[8]。本文提出一種組件殼體內(nèi)置微通道散熱單元的設(shè)計架構(gòu)，對傳熱特性相關(guān)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，完成了內(nèi)置微通道換熱器組件的模擬樣件的制備及試驗驗證。

1 內(nèi)置微通道散熱單元組件結(jié)構(gòu)設(shè)計

為了最大限度地發(fā)揮微通道散熱的優(yōu)勢，降低接觸熱阻對散熱效果的影響，嘗試將金屬微通道冷板集成在T/R組件殼體底部，大幅提升組件內(nèi)換熱效能，以滿足新一代高功率芯片的換熱需求。

參照某T/R組件結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計：高功率器件通過高導(dǎo)熱軟釬焊材料與熱適配層及散熱單元基底組裝成一體，整體與外部金屬殼體進(jìn)行封裝，其二維工程圖見圖1。冷卻介質(zhì)由介質(zhì)供給系統(tǒng)從散熱器微通道單元一側(cè)進(jìn)入，芯片產(chǎn)生的熱量首先通過焊接界面?zhèn)鲗?dǎo)至微通道金屬基材區(qū)域，隨后被冷卻介質(zhì)“吸收”并輸運至通道另一側(cè)，最后由外部散熱系統(tǒng)散逸，實現(xiàn)芯片降溫。

圖1 內(nèi)置微通道換熱器組件工程圖

2 微通道散熱單元換熱特性數(shù)值模擬

采用Creo 2.0建立微通道散熱單元數(shù)值模型，選用FloEFD 12.1進(jìn)行散熱特性數(shù)值模擬。分別對微通道寬度、深寬比、流經(jīng)長度進(jìn)行參數(shù)化建模，分析不同結(jié)構(gòu)布局形式下的傳熱特性，同步反饋優(yōu)化微通道參數(shù)，為實物樣件制備提供優(yōu)選參數(shù)，數(shù)值模擬結(jié)果云圖見圖2。綜合評估不同微通道設(shè)計參數(shù)下的流阻、熱流密度、壓降等特性，選定最佳參數(shù)組合為通道寬度100μm，深寬比5，流經(jīng)長度8 mm。

圖2 微通道散熱單元數(shù)值模擬結(jié)果

在不同熱源功率條件下，提取進(jìn)出口介質(zhì)溫度的仿真模擬數(shù)值結(jié)果，根據(jù)對應(yīng)的流量、微通道區(qū)域面積等參數(shù)，應(yīng)用熱流密度計算公式進(jìn)行計算，得到滿足新一代功率芯片散熱需求的微通道換熱器極限熱流密度模擬結(jié)果。相關(guān)模擬數(shù)據(jù)見表1。

表1 熱流密度模擬數(shù)據(jù)

由數(shù)值模擬結(jié)果分析可知，在滿足新一代GaN功率芯片≤160°C使用溫度的條件下，文中提出的內(nèi)置微通道換熱器四通道收發(fā)組件的極限熱耗可以達(dá)到1 500 W左右，此時冷卻介質(zhì)的入口溫度設(shè)定為20°C，出口溫度為77.2°C。換熱器散熱能力的計算公式為：

式中：q為微通道換熱器熱流密度；Q為換熱器交換總熱量；A為微通道區(qū)域面積3.71 cm2；cp為換熱介質(zhì)比熱容3 545 J/(kg·K)；m為冷卻介質(zhì)質(zhì)量流量；Tin和Tout分別為微通道換熱器入口和出口介質(zhì)溫度。

所設(shè)計的微通道換熱器在組件極限功耗1 500 W的條件下，模擬芯片最高溫度約為160°C，微通道換熱器入口介質(zhì)溫度為20°C，出口介質(zhì)溫度為77.2°C。根據(jù)公式及相關(guān)數(shù)據(jù)計算的熱流密度模擬數(shù)值為300 W/cm2，模擬數(shù)據(jù)擬合線圖見圖3。

圖3 微通道換熱器熱流密度模擬結(jié)果

3 微通道散熱單元精密成型技術(shù)研究

高功率芯片表面結(jié)溫均勻性要求高，各微細(xì)通道內(nèi)液體流動特性需盡量一致，文中制備的金屬微通道構(gòu)件特征尺寸為50～100 μm，深寬比不小于5，精度要求±5μm。金屬微通道特征尺寸細(xì)小，深寬比大，精度要求高，傳統(tǒng)機(jī)加工及化學(xué)刻蝕無法滿足成型需求。文中開展金屬微通道成型工藝研究，突破大厚度膠膜制備、掩膜圖形深蝕刻及銅微結(jié)構(gòu)精密電鑄成型的技術(shù)難點，實現(xiàn)微通道結(jié)構(gòu)高效率、高質(zhì)量穩(wěn)定成型。

為實現(xiàn)金屬微通道特征的精密、高效成型，結(jié)合UV-LIGA技術(shù)在微細(xì)加工技術(shù)領(lǐng)域的優(yōu)勢，合理設(shè)計工藝路線圖，如圖4所示。

圖4 金屬微通道成型工藝路線

通過光刻實驗分析了曝光劑量對膠膜質(zhì)量的影響，確定了制作該尺度高深寬比膠膜的合適曝光劑量和后烘時間。通過研究添加片內(nèi)輔助陰極的方法，微通道鑄層高度的均勻性得到了顯著改善?；诠に嚮A(chǔ)試驗研究，成功制作出線寬為100 μm，高度大于500μm的金屬銅微通道構(gòu)件，相關(guān)樣件見圖5。

圖5 金屬微通道底板樣件制備

微流道換熱器的流道寬度小，流道密集，微流道之間的間距小，熔焊工藝不具有焊接可達(dá)性，釬料量控制不佳易引起流道截面積變小甚至堵塞等問題，因此擴(kuò)散焊接成為優(yōu)選工藝方法。文中完成了樣件焊接工裝制備，調(diào)研合適的擴(kuò)散焊接設(shè)備，采用擴(kuò)散焊接技術(shù)將微通道冷板換熱器基底與蓋板進(jìn)行精密焊接，試驗研究擴(kuò)散焊接的壓力、溫度、保溫時間及中間層對焊接質(zhì)量的影響，優(yōu)選評估得到最佳的焊接工藝參數(shù)。

為保證金屬微通道換熱器的成型精度和使用過程可靠性，對焊縫的連續(xù)性和致密性提出了較高要求。樣件制備后采用多種檢測方法進(jìn)行評估，完成擴(kuò)散區(qū)域金相組織及微觀變形分析、焊縫焊合率檢測及微通道換熱單元耐壓性能檢測，檢測結(jié)果滿足需求。金屬微通道擴(kuò)散焊接接頭檢測如圖6所示，圖中EBSD為電子背散射衍射（Electron Backscatter Diffraction）。

圖6 金屬微通道擴(kuò)散焊接接頭檢測

4 內(nèi)置微通道散熱單元組件性能測試

文中完成了微通道換熱器散熱單元、鉬銅熱適配板及鈦合金殼體實物樣件的加工成型，并在表面電鍍Au層以便于焊接。試驗采用的模擬芯片為雷達(dá)產(chǎn)品熱控試驗專用陶瓷系列電阻——RF Labs?81-3001TC系列，其基體材料為氧化鈹，能較好地模擬組件內(nèi)高功率芯片工作時的發(fā)熱及表面溫度狀況。對上述器件進(jìn)行大面積焊裝及電子裝聯(lián)，同時注意引線針腳不能短路，實物樣件如圖7所示。

圖7 內(nèi)置微通道換熱器組件模擬樣件

常規(guī)液冷測試設(shè)備的流量范圍、供液壓力及過濾精度不能滿足微通道換熱器的性能測試需求。文中針對制備的內(nèi)置微通道換熱器組件模擬樣件開發(fā)了微通道液冷板性能測試平臺。該平臺主要由液冷源、模擬熱源平臺、監(jiān)測模塊等組成。

文中完成了內(nèi)置微通道換熱器組件樣件制備，在自研的液冷板性能測試平臺上進(jìn)行散熱能力試驗測試。將內(nèi)置散熱單元組件模擬樣件接入液冷源回路，采用流量計、壓力計測量回路中介質(zhì)的流量和壓力損失。將模擬新一代組件高功率芯片的陶瓷電阻并聯(lián)接入直流電源，形成純電阻電路通電生熱。將數(shù)據(jù)采集儀的溫控探頭貼附在模擬芯片測溫點，實時采集芯片表面溫度。測試系統(tǒng)如圖8所示。

圖8 微通道傳熱特性測試系統(tǒng)框圖

開啟液冷源，設(shè)定初始供液溫度20°C，通過流量閥門調(diào)節(jié)回路內(nèi)冷卻介質(zhì)的流量，通過直流電源在模擬芯上按加載功率值依次加載，并記錄對應(yīng)的芯片表面溫度值（最大值）、流量、進(jìn)出口溫度等測試數(shù)據(jù)。根據(jù)測試數(shù)據(jù)及熱流密度計算值，運用回歸分析法得出微通道散熱器應(yīng)用在新一代高功率收發(fā)組件最大加載功率下的熱流密度。

按上述測試要求，分別對微通道換熱器單元進(jìn)行散熱性能測試，記錄相關(guān)數(shù)據(jù)，如表2所示。

表2 熱流密度模擬試驗記錄表

基于對相關(guān)理論的調(diào)研[9-10]和試驗數(shù)據(jù)的回歸分析，加載功率與表面溫度、換熱器熱流密度與表面溫度均呈線性關(guān)系。由于試驗功率密度遠(yuǎn)超現(xiàn)有芯片功率密度，模擬電阻達(dá)到950 W時失效，因此需根據(jù)新一代GaN功率芯片的表面最高溫度≤160°C的使用要求，對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值擬合，得出新一代組件的極限功耗，見圖9。

圖9 加載功率-芯片結(jié)溫擬合線圖

將圖9測試數(shù)據(jù)擬合得出的1 340 W作為該樣件試驗測試的最大加載功率。根據(jù)測試數(shù)據(jù)及式（1）計算的功率密度值，擬合得出微通道散熱器在新一代高功率收發(fā)組件最大加載功率下的熱流密度為274.2 W/cm2，如圖10所示。由于數(shù)值模擬部分將系統(tǒng)模型簡化為絕熱系統(tǒng)，未考慮通過環(huán)境對流和輻射散失的熱量，因此模擬熱流密度較試驗結(jié)果略高，與實際情況相符。

圖10 加載功率-熱流密度擬合線圖

對5件微通道換熱器樣件進(jìn)行試驗測試和數(shù)值分析，滿足新一代功率芯片散熱需求條件的熱流密度值如表3所示。

表3 微通道換熱器熱流密度

5 結(jié)束語

文中針對新一代高功率芯片T/R組件高效散熱需求及外置傳統(tǒng)液冷板界面熱阻問題，提出一種組件殼體內(nèi)置微通道散熱單元的設(shè)計架構(gòu)。通過數(shù)值模擬優(yōu)選最佳設(shè)計參數(shù)組合，得到的內(nèi)置微通道單元模擬熱流密度達(dá)到300 W/cm2。基于UV-LIGA技術(shù)及精密擴(kuò)散焊接技術(shù)，突破高深寬比微結(jié)構(gòu)電鑄等關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)金屬微通道結(jié)構(gòu)精密成型及高可靠焊接，微通道特征成型精度為5 μm、焊合率＞85%，滿足使用需求。文中開發(fā)了微通道換熱器性能測試系統(tǒng)，實測的內(nèi)置微通道散熱單元T/R組件熱流密度達(dá)到274.2 W/cm2，可保障高功率芯片工作在允許的溫度范圍內(nèi)，加快了高效能微通道冷卻技術(shù)在雷達(dá)電子設(shè)備等領(lǐng)域的工程化應(yīng)用進(jìn)程。