某功放模塊散熱冷板設(shè)計與仿真分析

田 野，王成非，范鵬杰，方 堃

（中國船舶重工集團(tuán)公司第七二三研究所，江蘇揚(yáng)州 225001）

0 引言

功率放大器（簡稱功放）是雷達(dá)和電子干擾設(shè)備中的關(guān)鍵器件，其工作狀態(tài)的好壞直接影響發(fā)射機(jī)可靠性。由于功率放大器，其體積小、發(fā)熱量大、熱流密度高，僅靠封裝外殼散熱無法滿足散熱要求，所以需選擇合理的散熱和冷卻方法，設(shè)計有效的散熱系統(tǒng)，把電子元器件的溫度控制在規(guī)定值以下，在熱源至外部環(huán)境之間提供一條低熱阻通道，以確保熱量順利地交換出去[1]。

賀獻(xiàn)武等[2]提出了一種液冷功放模塊的優(yōu)化設(shè)計方案，對比不同界面材料下功放殼溫情況，并通過熱仿真和測試驗證了設(shè)計的有效性，其中功放芯片熱量90 W，尺寸6 mm×20 mm，熱流密度較小，常規(guī)的冷板設(shè)計就能解決該散熱問題。候滿宏等[3]提出一種小型化車載功放液冷機(jī)箱，其采用冷板與功放模塊一體化加工，并對串聯(lián)、并聯(lián)流道對測試溫度的影響進(jìn)行分析。李兵強(qiáng)等[4]對一種熱耗值為250 W功放模塊的散熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，提出一種強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱解決方案，通過試驗測試驗證了仿真數(shù)據(jù)和測試數(shù)據(jù)的關(guān)系，誤差值小于5%。金之鈺等[5]對輻射狀流道、交錯裝流道、傾斜擾流柱設(shè)計等多種不同微流道設(shè)計方式對冷板散熱效果、冷板流阻的影響分析。本文針對某功放模塊的熱設(shè)計需求，設(shè)計一種液冷板，并結(jié)合熱仿真分析進(jìn)行冷板結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計和整體方案優(yōu)化設(shè)計，將功放模塊中GaN芯片節(jié)溫控制在190℃左右，滿足功放模塊內(nèi)部器件的熱設(shè)計使用需求，對后續(xù)高功率GaN芯片的熱設(shè)計提供參考借鑒。

1 功放模塊熱設(shè)計

1.1 功放模塊概述

該模塊為某艦載設(shè)備中使用的功率放大模塊，簡稱功放模塊，是該型設(shè)備的重要功能部件。如圖1所示，該模塊的外形尺 寸 為240 mm×140 mm×22 mm，模塊內(nèi)部安裝有合成模塊、4個放大模塊、功分模塊、驅(qū)動模塊等，發(fā)熱量較大的是放大模塊和驅(qū)動模塊中的芯片，其中每個放大模塊中有2片GaN功放主芯片，驅(qū)動模塊中有1片驅(qū)動模塊芯片。

圖1 功放模塊示意圖

功放主芯片尺寸為5.2 mm×3.5 mm，滿功率使用時發(fā)熱量約為120 W，驅(qū)動模塊芯片尺寸為4.1 mm×3 mm，滿功率使用時發(fā)熱量約為50 W。如圖2所示，芯片發(fā)熱功率高，面積小，從而導(dǎo)致熱流密度特別高達(dá)到659 W/cm2，因此模塊散熱設(shè)計直接影響功放模塊的使用效果。

圖2 功放模塊散熱區(qū)域示意圖

1.2 冷卻方式選擇

常用的冷卻方式有自然風(fēng)冷、強(qiáng)迫風(fēng)冷和強(qiáng)迫液冷。一般熱流密度小于或等于0.04 W/cm2的電子元器件可選擇自然風(fēng)冷；熱流密度在0.04～0.6 W/cm2時，可采用強(qiáng)迫風(fēng)冷；熱流密度大于或等于0.6 W/cm2時，須采用強(qiáng)迫液體冷卻。該功放管表面的熱流密度達(dá)659 W/cm2，故須采用強(qiáng)迫液冷的冷卻方式[6]。如圖3所示。

圖3 常見冷卻方式的熱流密度與溫升

按照是否與電子元器件接觸液分為直接冷卻和間接冷卻；按照傳熱流體的不同，可分為水冷、油冷，其他有機(jī)液體冷卻等。其中水的比熱容較大，沒有特殊要求時多采用水冷方式，為防止對管道的腐蝕、結(jié)垢，可加入緩蝕劑和使用磁化水、去離子水等。在軍用裝備中，考慮到低溫等極端環(huán)境，要使用乙二醇等防凍液作為冷卻工質(zhì)[7]，本文中功放模塊使用環(huán)境為艦載條件，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，需要考慮在-40℃溫度下正常工作，因此選用65#防凍液作為冷卻工質(zhì)。

功放模塊4個功放主芯片熱耗一共960 W，1個驅(qū)動模塊芯片熱耗50 W，其他模塊發(fā)熱量約70 W，單個功放模塊總熱耗約為1 080 W。每塊冷板上放置2個功放模塊，總熱耗為2 160 W，冷板中間電源部分熱耗約為40 W，每塊冷板熱耗為2 200 W。

根據(jù)熱量計算公式Q=Cp×qm×Δt=Cp×(qv×ρ)×Δt[7]；因此得到流量計算公式：

式中：Q為總熱耗，W；Cp為冷卻流體定壓比熱容，J/kg·℃；Δt為冷卻流體進(jìn)、出口溫差，℃；ρ為冷卻流體密度，kg/m3；S為安全系數(shù)。

其中冷卻流體選擇65#冷卻液，Cp=3 151 J/kg·℃，ρ=1 076 kg/m3，S=1.1[2]。由式（1）可得：

如圖4所示，冷板流道采用常規(guī)蛇形流道，流道流經(jīng)功放模塊底部的發(fā)熱區(qū)域。冷板進(jìn)出口水接頭選用STAUBLI CGO 08盲插水接頭，其在流速5 m/s時，最大工作流量為15 L/min，壓 降0.22 bar（1 bar=0.1 MPa），在10 L/min流速時，壓降0.1 bar，滿足該冷板使用要求。

(1) 在模型填筑之前，對現(xiàn)場取回的土樣進(jìn)行取樣測定土體含水率，若含水率偏小，則加水?dāng)嚢柚了韬?；若含水率偏大，則將土體鋪平晾曬，直至滿足試驗要求，控制含水率為28%～32%之間。

圖4 冷板流道示意圖

1.3 熱仿真計算

熱仿真分析與計算采用電子設(shè)備仿真軟件FloEFD（NX10.0）進(jìn)行計算分析。冷板冷卻液入口溫度為40℃，環(huán)境溫度設(shè)置為65℃，冷卻液流量8.5 L/min。

導(dǎo)熱路徑上各材料導(dǎo)熱系數(shù)設(shè)置如下：芯片導(dǎo)熱系數(shù)設(shè)定為201 W/（m·℃），芯片載板材料為Cu/Mo/Cu導(dǎo)熱系數(shù)設(shè)定為300 W/（m·℃），芯片封裝殼體材料為紫銅297 W/（m·℃），功放鋁殼的導(dǎo)熱系數(shù)209 W/（m·℃），液冷板同樣為鋁材。接觸面1、接觸面2為焊接連接，熱阻忽略不計；接觸面3為0.1mm厚銦箔，導(dǎo)熱系數(shù)為80W/（m·℃）[5]；界面4為硅脂4 W/（m·℃），熱阻為0.022 in2·℃/W。如圖5所示。

圖5 功放芯片散熱結(jié)構(gòu)

1.4 仿真結(jié)果分析

從圖6仿真計算結(jié)果可知，冷板表面溫度最高為65℃，功放芯片主要的場效應(yīng)管發(fā)熱區(qū)域最高溫度已經(jīng)達(dá)到了280℃，遠(yuǎn)超過GaN芯片的最高允許節(jié)溫225℃[2]，不符合功放模塊的使用條件。分析原因主要有以下幾方面。

圖6 冷板表面溫度示意圖

（1）單芯片發(fā)熱量大，功放主芯片尺寸為5.2 mm×3.5 mm，滿功率使用時發(fā)熱量高達(dá)120 W，常規(guī)的夜冷板設(shè)計思路難以解決如此高熱量的散熱需求。

（2）從芯片場效應(yīng)管區(qū)域到冷板的先后經(jīng)過了芯片載板→放大模塊殼體→功放模塊殼體→液冷板，熱源需要經(jīng)過4種中間介質(zhì)和4層接觸面才能到達(dá)冷端將熱量導(dǎo)出。功放模塊的熱量從功放芯片到冷板，經(jīng)歷了多個界面，形成較大的界面熱阻，會極大的阻礙熱擴(kuò)散。

（3）從功放芯片到冷板之間一維傳導(dǎo)熱阻過大。如圖7所示。熱量從芯片到冷板之間傳導(dǎo)過程中會形成擴(kuò)展熱阻和一維傳導(dǎo)熱阻，增加傳導(dǎo)層的厚度可以增加有效散熱面積，減小擴(kuò)展熱阻，但同時也增加了一維擴(kuò)展熱阻。因此必然存在一個合適的熱傳導(dǎo)厚度使得總傳導(dǎo)熱阻最小。從工程應(yīng)用經(jīng)驗中得知，一般情況下最優(yōu)的熱傳導(dǎo)厚度為2～3 mm[8]。

圖7 功放芯片表面溫度示意圖

因此需要對冷板和功放模塊進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，使芯片表面的節(jié)溫達(dá)到使用需求。

2 優(yōu)化設(shè)計

2.1 功放模塊優(yōu)化

為了最大限度的維持已有的功放模塊設(shè)計鏈路關(guān)系，優(yōu)化設(shè)計主要有以下幾方面。

（2）將放大模塊的銅殼壁厚減薄，在液冷板上將冷卻液到功放芯片底部的熱傳導(dǎo)距離做到最小。其余模塊如合成模塊安裝時在液冷板上開槽，由于其發(fā)熱量較小，舍棄底部的流道。

如圖8所示，優(yōu)化設(shè)計后CuMoCu載片到液冷板之間熱傳導(dǎo)距離由原先的8.5 mm減小到3.5 mm。

圖8 優(yōu)化后功放芯片散熱結(jié)構(gòu)

2.2 冷板優(yōu)化

改變常規(guī)的蛇形流道，在放大模塊底部增加流道的寬度，并在流道中間增加擾流柱，一方面可以增加冷板散熱面積，另一方面可以增強(qiáng)流體的湍流換熱，從而提高換熱能力，但是增加擾流柱會使冷板的流阻增加，將在后面的仿真中驗證其可行性。如圖9所示。

圖9 優(yōu)化后冷板流道

2.3 熱仿真計算

優(yōu)化后的熱耗分布與原設(shè)計模塊一致，仿真參數(shù)設(shè)置一致，冷板冷卻液入口溫度為40℃，環(huán)境溫度設(shè)置為65℃，冷卻液流量8.5 L/min。計算后的仿真云圖如圖10～12所示。從仿真結(jié)果可知優(yōu)化設(shè)計后，放大模塊散熱區(qū)域冷板表面溫度最高為72℃，最低65℃，均溫性7℃；功放芯片主要的場效應(yīng)管發(fā)熱區(qū)域最高溫度189.7℃；放大模塊殼體外壁最高溫度60℃。溫度特性滿足功放模塊的使用要求。

圖10 冷板表面溫度云圖

圖11 功放芯片表面溫度云圖

圖12 放大模塊殼體溫度云圖

流體進(jìn)出口流阻約為2.3 bar，加上兩個流體連接器流阻約為0.2 bar，計算得到的冷板總流阻約為2.5 bar，符合冷板流阻設(shè)計要求。如圖13所示。

圖13 冷板流阻云圖

3 試驗驗證

為了驗證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，將分兩種方案分別進(jìn)行驗證，由于在通液情況下芯片的節(jié)溫難以直接檢測，驗證方案1通過測試放大模塊側(cè)壁的殼溫與仿真結(jié)果的放大模塊殼溫進(jìn)行對比，間接驗證仿真結(jié)果是否準(zhǔn)確；驗證方案2將單個放大模塊放置在紅外熱成像儀的溫度測試平臺上，通過外部儀表施加激勵，模擬實際功耗，觀測芯片表面發(fā)熱區(qū)域溫度值，測得準(zhǔn)確的芯片節(jié)溫，并與仿真結(jié)果進(jìn)行對比。

3.1 放大模塊溫度驗證

將幾種模塊搭建在測試用冷板上，并在放大模塊側(cè)壁上5處位置粘貼溫度熱電偶，用安捷倫數(shù)據(jù)采集儀測試電偶點(diǎn)溫度[9]。如圖14所示。由于是單個模塊測試，通液流量設(shè)置為4.5 L/min，通 液 溫 度40℃，穩(wěn)定運(yùn)行20 min后進(jìn)行數(shù)據(jù)讀數(shù)。5個熱電偶中溫度最高讀數(shù)為62℃，與仿真結(jié)果中的60℃溫度值接近，說明該仿真結(jié)果能夠較好地反應(yīng)冷板表面和放大模塊測壁溫度。放大模塊在穩(wěn)定運(yùn)行2 h后停止驗證試驗，同時也證明該冷板結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化，功放模塊的設(shè)計優(yōu)化效果明顯，能夠滿足放大模塊散熱使用需求。

圖14 優(yōu)化后冷板實物試驗

3.2 功放芯片節(jié)溫驗證

將單個放大模塊拆開蓋板放置在紅外熱成像儀的溫度測試平臺上[10]，恒溫臺溫度調(diào)至40℃，施加外部激勵將放大模塊滿功率運(yùn)行，單芯片熱耗值接近120 W，觀測芯片表面節(jié)溫最高約為201℃。如圖15所示。仿真計算節(jié)溫最高為189.7℃，其中有10℃偏差，分析原因主要為溫度測試平臺的恒溫臺較小總散熱功率有限，適用于小熱耗芯片的測試，還有恒溫臺底部為普通蛇形流道，并非專門設(shè)計由于散熱的專用冷板，熱傳導(dǎo)能力一般。但201℃節(jié)溫值依然滿足GaN芯片225℃節(jié)溫需求。

圖15 功放芯片節(jié)溫

4 結(jié)束語

本文闡述了功放模塊冷板初步設(shè)計、熱仿真、優(yōu)化設(shè)計、熱仿真驗證、試驗驗證整個過程。通過優(yōu)化冷板流道，減小功放芯片到冷板的垂向一維傳導(dǎo)熱阻，減少一次接觸界面，降低界面熱阻來增強(qiáng)冷板散熱能力。仿真結(jié)果顯示，優(yōu)化設(shè)計后可將功放芯片的節(jié)溫控制在190℃左右。經(jīng)過兩種方式試驗測試，功放芯片節(jié)溫與仿真溫度接近，實測節(jié)溫滿足使用條件，說明優(yōu)化設(shè)計后的方案能夠滿足該功放模塊的熱設(shè)計要求。

本文通過對功放模塊的熱設(shè)計及優(yōu)化驗證，驗證了熱流密度為659 W/cm2的GaN芯片熱設(shè)計可以通過優(yōu)化冷板設(shè)計、優(yōu)化傳導(dǎo)熱阻和界面熱阻的方式實現(xiàn)，但也已經(jīng)接近GaN芯片的節(jié)溫極限值。為以后高散熱需求GaN芯片熱設(shè)計提供借鑒參考。