0  引言

隨著微電子技術(shù)的不斷發(fā)展,電子芯片的尺寸不斷縮小,芯片的熱流密度急劇增加,芯片出現(xiàn)的熱失效問(wèn)題增多,嚴(yán)重影響了電子設(shè)備的高效?穩(wěn)定?安全運(yùn)行和使用壽命?一個(gè)常規(guī)陣列通常包含十幾乃至上百個(gè)T/R組件,單個(gè)陣列的不同T/R組件的功率也不一致?陣列中各單元的工作熱耗一致,但因流阻?加工組裝誤差?通道一致性等各種因素的差別,實(shí)際分配給各單元的冷卻資源有較大的差異(通常實(shí)際的流體分配量與額定設(shè)計(jì)值的差別可達(dá)10%～35%),使各單元的實(shí)際冷卻效果不一樣,進(jìn)而產(chǎn)生了熱不均勻性?在陣列電子設(shè)備中,T/R組件對(duì)工作溫度一致性的要求也越來(lái)越高,溫度分布不均勻?qū)﹄娦阅艿挠绊懯诛@著?在工程界,如何將冷卻資源合理分配給每個(gè)T/R組件,使T/R組件實(shí)現(xiàn)均勻的溫度分布是一個(gè)迫切需要解決的問(wèn)題?

傳統(tǒng)的陣列散熱技術(shù)主要采用被動(dòng)分流方式,分流的穩(wěn)定性和均勻性較難達(dá)到工程要求?同時(shí),實(shí)際加工和裝配精度及負(fù)荷波動(dòng)等擾動(dòng)對(duì)分流的均勻性也有較大影響?經(jīng)仿真和實(shí)驗(yàn)研究,本文提出的主動(dòng)式多級(jí)熱管理系統(tǒng),可以實(shí)現(xiàn)陣列熱源芯片(T/R組件)冷卻液的合理分配及良好的均溫性?該系統(tǒng)主要包括被動(dòng)分流單元?主動(dòng)分流單元和流量控制單元?被動(dòng)分流單元主要是根據(jù)流體力學(xué)理論,對(duì)流道尺寸和結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化的分流板;主動(dòng)分流部分由微通道散熱結(jié)構(gòu)?微型控制閥?溫度監(jiān)測(cè)單元等組成;流量控制單元是根據(jù)實(shí)際陣列功耗的變化與溫度反饋,利用比例–積分–微分(PID)算法實(shí)現(xiàn)流量控制?

1  系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1邊界條件

設(shè)計(jì)一個(gè)熱管理系統(tǒng)樣機(jī),該樣機(jī)包含主動(dòng)分流單元?被動(dòng)分流單元及溫度控制單元?每個(gè)主動(dòng)分流單元的四通道T/R組件作為一個(gè)溫控單元?在實(shí)驗(yàn)中,利用薄膜電阻來(lái)模擬T/R功放芯片,其尺寸為3mm×3mm,采用12V電源供電?實(shí)驗(yàn)條件如下:1)測(cè)試的環(huán)境溫度為25℃;2)每個(gè)模擬T/R功放熱源的最大熱耗為25W,熱流密度為278W/cm2;3)供液流量為0.6L/min,供液溫度為25℃;4)溫度分布一致性考核要求為16元T/R功放模擬芯片的均溫性≤10℃?

1.2系統(tǒng)集成方案

主動(dòng)熱管理系統(tǒng)由被動(dòng)分流單元?主動(dòng)分流單元(包括微通道散熱結(jié)構(gòu)?溫度監(jiān)測(cè)單元以及微型閥等部件)?流量控制單元等組成?系統(tǒng)冷卻液采用“一進(jìn)一出”的方式,首先通過(guò)被動(dòng)分流單元,將冷卻液分流到各個(gè)主動(dòng)分流單元,作為系統(tǒng)的第一次分液;溫度監(jiān)測(cè)單元采集每個(gè)主動(dòng)分流單元上4個(gè)模擬功放芯片的功耗及溫度;主動(dòng)流量控制單元通過(guò)溫度采集—反饋—PID算法—執(zhí)行機(jī)構(gòu)(微型網(wǎng))主動(dòng)控制主動(dòng)分流單元的流量,對(duì)每個(gè)單元的芯片溫度進(jìn)行調(diào)節(jié),實(shí)現(xiàn)良好的陣列均溫性?

圖1為熱管理系統(tǒng)(4個(gè)單元)的整體集成原理示意圖?系統(tǒng)的冷卻液通過(guò)進(jìn)液口進(jìn)入被動(dòng)分流單元(一級(jí)分流),經(jīng)初步分流后進(jìn)入每個(gè)主動(dòng)分流網(wǎng)絡(luò)單元(二級(jí)分流)對(duì)熱源進(jìn)行冷卻散熱,然后再匯流到被動(dòng)分流單元,返回系統(tǒng)前端?

主動(dòng)分流單元由散熱微通道?微型閥?密封圈?冷卻液入口?冷卻液出口和功放元件等組成,如圖2所示?它采用一進(jìn)一出的結(jié)構(gòu),先流經(jīng)電磁閥,然后流入內(nèi)部散熱通道?芯片采用微通道散熱?目前,國(guó)內(nèi)外對(duì)微通道的設(shè)計(jì)及散熱能力進(jìn)行了較多的仿真和實(shí)驗(yàn)研究,實(shí)測(cè)散熱能力可達(dá)500W/cm2?電阻對(duì)應(yīng)的分流單元的下表面采用鍍金處理,每個(gè)主動(dòng)分流單元微通道上方粘貼有4個(gè)熱源元件?主動(dòng)分流單元與被動(dòng)分流單元接口處通過(guò)密封圈密封,防止漏液?微型閥嵌在冷卻液入口位置?流量控制單元根據(jù)溫度分布情況控制冷卻液流量的大小?

被動(dòng)分流是利用精細(xì)設(shè)計(jì)的流道?耦合重力?加速度等影響要素,固化流體路徑上的阻力特性和相互匹配特性,使冷卻液可靠?準(zhǔn)確地定量分配到各個(gè)末端的熱沉支路中?

被動(dòng)分流單元由一個(gè)進(jìn)液口?一個(gè)出液口和分流流道組成,分為流道層(分布有分流散熱微通道)和蓋板層,二者采用真空焊接?系統(tǒng)冷卻液由進(jìn)液口流入,通過(guò)被動(dòng)分流分為4路進(jìn)入主動(dòng)分流單元冷卻熱源組件,之后再匯流到出液口,返回系統(tǒng)前端?

整個(gè)熱管理系統(tǒng)的集成方案如圖3所示,主動(dòng)分流單元和被動(dòng)分流單元通過(guò)密封圈連接密封?冷卻液通過(guò)被動(dòng)分流單元分流后分別到4個(gè)主動(dòng)分流單元?整個(gè)系統(tǒng)一共有16元T/R模擬功放芯片:每4元T/R模擬功放芯片安裝在一個(gè)主動(dòng)散熱單元(共4個(gè)主動(dòng)散熱單元)上,4個(gè)主動(dòng)散熱單元集成在被動(dòng)分流單元上?

2  熱源溫度控制方案

在主動(dòng)分流單元熱源的溫度主要通過(guò)主動(dòng)分流單元調(diào)節(jié)?在熱源表面設(shè)置溫度采集傳感器,采用貼片式熱敏電阻,每個(gè)熱敏電阻在裝配前要經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)篩選,以減小系統(tǒng)溫度測(cè)量誤差?

通過(guò)熱敏電阻采集熱源的溫度,再根據(jù)溫度數(shù)據(jù)通過(guò)采集電路進(jìn)行溫度均勻性比較?PID控制和脈寬調(diào)制(PulseWidthModulation,PWM),來(lái)控制微型閥,調(diào)節(jié)主動(dòng)分流單元的流量,控制16元模擬熱源的溫度差,使之保持在一定的范圍內(nèi)?圖4為系統(tǒng)的控制示意圖?

電磁閥具有較快的響應(yīng)速度并能提供較大的驅(qū)動(dòng)力和位移?在電子戰(zhàn)系統(tǒng)中陣列冷卻資源的分配就需要響應(yīng)速度快,動(dòng)作執(zhí)行迅速,有足夠的驅(qū)動(dòng)力來(lái)克服流體較大的壓力?目前電磁閥技術(shù)比較成熟,在較高的來(lái)流壓力下,能提供較大的驅(qū)動(dòng)力來(lái)控制閥門(mén)調(diào)節(jié)流量,所以本文將電磁微閥集成到組件之中進(jìn)行主動(dòng)分流?

3  流阻匹配及熱設(shè)計(jì)

針對(duì)被動(dòng)分流單元,優(yōu)化流體阻力特性和匹配特性,使冷卻液被可靠?準(zhǔn)確地分配到各個(gè)末端熱沉支路中?首先需要保證被動(dòng)分流單元的流阻與整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的流阻分配相匹配,使冷卻液在被動(dòng)分流階段初步獲得較好的分流?

樹(shù)狀分形網(wǎng)絡(luò)在國(guó)內(nèi)外有較多的實(shí)驗(yàn)和數(shù)值研究,普遍認(rèn)為基于樹(shù)狀分形網(wǎng)絡(luò)的流道具有更高的分流均勻性,從而使溫度場(chǎng)分布較為均勻?同時(shí)需要設(shè)計(jì)主動(dòng)分流單元的微通道散熱翅片和流體通道,以提高對(duì)流換熱系數(shù),獲取高的換熱量?本文設(shè)計(jì)了被動(dòng)分流單元的分流網(wǎng)絡(luò)和主動(dòng)分流單元的流道和散熱翅片,并進(jìn)行了仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)和分析,得到優(yōu)化后的設(shè)計(jì)模型?被動(dòng)分流單元的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)流場(chǎng)仿真結(jié)果見(jiàn)圖5和表1?

從表1可以看出,被動(dòng)分流單元分流為4路之后,流量偏差較小,最大和最小的誤差不超過(guò)5%,滿足初步被動(dòng)分流設(shè)計(jì)要求?

主動(dòng)分流單元的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖6所示?冷卻液從入口分為兩路流過(guò)散熱翅片,最后合為一路流出主動(dòng)分流單元,回到被動(dòng)分流單元?

主動(dòng)分流單元的熱仿真結(jié)果如圖7所示?從圖7可以看出,在供液量為150mL/min的情況下,4個(gè)熱源芯片的殼溫分別為67.3℃,69.9℃,70℃,67.4℃,平均溫度為68.7℃?對(duì)于單個(gè)主動(dòng)分流單元,4個(gè)熱源芯片的溫差小于±2℃,溫度分布均勻性較好?

通過(guò)數(shù)值仿真對(duì)被動(dòng)分流單元的分流流道和主動(dòng)分流單元的散熱流道進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)部較好的流阻匹配設(shè)計(jì)和散熱能力設(shè)計(jì)?

4  實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

根據(jù)仿真設(shè)計(jì)結(jié)果,設(shè)計(jì)了一套熱管理樣機(jī),在16元功放熱耗一致和不一致的情況下,實(shí)測(cè)樣機(jī)各個(gè)芯片的溫度,驗(yàn)證熱管理系統(tǒng)的可靠性?

4.1 16元功放熱耗一致

所有模擬功放芯片的熱耗加電25W,對(duì)該熱管理系統(tǒng)進(jìn)行溫度測(cè)試?16元模擬功放芯片的表面溫度測(cè)試結(jié)果如圖8所示?

由測(cè)試結(jié)果可知,當(dāng)16元模擬功放芯片的熱耗一致時(shí),16元模擬功放芯片的最低殼溫為69.5℃,最高殼溫為75.1℃,平均溫度為72℃,具有良好的均溫性?實(shí)測(cè)的平均溫度比仿真結(jié)果(圖7)的平均溫度高3.3℃?

4.2部分模擬功放芯片熱耗降低50%

1個(gè)主動(dòng)分流單元的4個(gè)熱耗降低50%,其余主動(dòng)分流單元的功放芯片熱耗不變(25W),測(cè)得的模擬功放芯片表面溫度如圖9所示?

從圖9可以看出,由于其中一個(gè)主動(dòng)分流單元的4個(gè)模擬功放芯片熱耗降低了50%,16元陣列的模擬功放芯片的最低殼溫為58℃,最高殼溫為66.4℃,平均殼溫為63.3℃,最大殼溫與最小殼的溫差小于10℃,具有良好的均溫性?

降低部分模擬功放芯片的功率后,通過(guò)系統(tǒng)主動(dòng)調(diào)節(jié)冷卻液的分配,維持了整個(gè)陣列芯片良好的均溫性,保證了良好的電性能?

5  結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種主動(dòng)分流熱管理系統(tǒng)樣機(jī)的實(shí)施方案,應(yīng)用于功放陣列散熱單元?以16元T/R功放組件為例,進(jìn)行了系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)?仿真設(shè)計(jì)和試驗(yàn)測(cè)試研究?試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明,系統(tǒng)中16元陣列功放芯片具有良好的均溫性,保證了陣列的電性能與可靠性,最大程度地利用了冷卻資源?本文為實(shí)現(xiàn)大型陣列的均溫性?小型化和集成化提供了初步的基礎(chǔ)研究?

然而,將微型流體控制機(jī)構(gòu)(微閥)集成在系統(tǒng)中,對(duì)冷卻資源進(jìn)行按需分配的做法,在實(shí)際工程中實(shí)施起來(lái)有較大的難度?壓力?流量相互耦合,控制對(duì)象是實(shí)時(shí)變化的?不確定的?非線性的,每個(gè)參數(shù)的調(diào)整都會(huì)引起其他參數(shù)的變化?這就要求流體控制系統(tǒng)在非線性變工況下實(shí)現(xiàn)較高靈敏度和精度的冷卻資源的主動(dòng)調(diào)配?后期將針對(duì)機(jī)電集成最優(yōu)化模型展開(kāi),使系統(tǒng)最小化?輕量化,流阻合理化,能耗最低化,同時(shí)還具有可擴(kuò)展性?

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