0  引言

隨著微電子技術的不斷發展,電子芯片的尺寸不斷縮小,芯片的熱流密度急劇增加,芯片出現的熱失效問題增多,嚴重影響了電子設備的高效?穩定?安全運行和使用壽命?一個常規陣列通常包含十幾乃至上百個T/R組件,單個陣列的不同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,實際分配給各單元的冷卻資源有較大的差異(通常實際的流體分配量與額定設計值的差別可達10%～35%),使各單元的實際冷卻效果不一樣,進而產生了熱不均勻性?在陣列電子設備中,T/R組件對工作溫度一致性的要求也越來越高,溫度分布不均勻對電性能的影響十分顯著?在工程界,如何將冷卻資源合理分配給每個T/R組件,使T/R組件實現均勻的溫度分布是一個迫切需要解決的問題?

傳統的陣列散熱技術主要采用被動分流方式,分流的穩定性和均勻性較難達到工程要求?同時,實際加工和裝配精度及負荷波動等擾動對分流的均勻性也有較大影響?經仿真和實驗研究,本文提出的主動式多級熱管理系統,可以實現陣列熱源芯片(T/R組件)冷卻液的合理分配及良好的均溫性?該系統主要包括被動分流單元?主動分流單元和流量控制單元?被動分流單元主要是根據流體力學理論,對流道尺寸和結構進行優化的分流板;主動分流部分由微通道散熱結構?微型控制閥?溫度監測單元等組成;流量控制單元是根據實際陣列功耗的變化與溫度反饋,利用比例–積分–微分(PID)算法實現流量控制?

1  系統設計

1.1邊界條件

設計一個熱管理系統樣機,該樣機包含主動分流單元?被動分流單元及溫度控制單元?每個主動分流單元的四通道T/R組件作為一個溫控單元?在實驗中,利用薄膜電阻來模擬T/R功放芯片,其尺寸為3mm×3mm,采用12V電源供電?實驗條件如下:1)測試的環境溫度為25℃;2)每個模擬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系統集成方案

主動熱管理系統由被動分流單元?主動分流單元(包括微通道散熱結構?溫度監測單元以及微型閥等部件)?流量控制單元等組成?系統冷卻液采用“一進一出”的方式,首先通過被動分流單元,將冷卻液分流到各個主動分流單元,作為系統的第一次分液;溫度監測單元采集每個主動分流單元上4個模擬功放芯片的功耗及溫度;主動流量控制單元通過溫度采集—反饋—PID算法—執行機構(微型網)主動控制主動分流單元的流量,對每個單元的芯片溫度進行調節,實現良好的陣列均溫性?

圖1為熱管理系統(4個單元)的整體集成原理示意圖?系統的冷卻液通過進液口進入被動分流單元(一級分流),經初步分流后進入每個主動分流網絡單元(二級分流)對熱源進行冷卻散熱,然后再匯流到被動分流單元,返回系統前端?

主動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?它采用一進一出的結構,先流經電磁閥,然后流入內部散熱通道?芯片采用微通道散熱?目前,國內外對微通道的設計及散熱能力進行了較多的仿真和實驗研究,實測散熱能力可達500W/cm2?電阻對應的分流單元的下表面采用鍍金處理,每個主動分流單元微通道上方粘貼有4個熱源元件?主動分流單元與被動分流單元接口處通過密封圈密封,防止漏液?微型閥嵌在冷卻液入口位置?流量控制單元根據溫度分布情況控制冷卻液流量的大小?

被動分流是利用精細設計的流道?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?準確地定量分配到各個末端的熱沉支路中?

被動分流單元由一個進液口?一個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?系統冷卻液由進液口流入,通過被動分流分為4路進入主動分流單元冷卻熱源組件,之后再匯流到出液口,返回系統前端?

整個熱管理系統的集成方案如圖3所示,主動分流單元和被動分流單元通過密封圈連接密封?冷卻液通過被動分流單元分流后分別到4個主動分流單元?整個系統一共有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主動散熱單元(共4個主動散熱單元)上,4個主動散熱單元集成在被動分流單元上?

2  熱源溫度控制方案

在主動分流單元熱源的溫度主要通過主動分流單元調節?在熱源表面設置溫度采集傳感器,采用貼片式熱敏電阻,每個熱敏電阻在裝配前要經過校準篩選,以減小系統溫度測量誤差?

通過熱敏電阻采集熱源的溫度,再根據溫度數據通過采集電路進行溫度均勻性比較?PID控制和脈寬調制(PulseWidthModulation,PWM),來控制微型閥,調節主動分流單元的流量,控制16元模擬熱源的溫度差,使之保持在一定的范圍內?圖4為系統的控制示意圖?

電磁閥具有較快的響應速度并能提供較大的驅動力和位移?在電子戰系統中陣列冷卻資源的分配就需要響應速度快,動作執行迅速,有足夠的驅動力來克服流體較大的壓力?目前電磁閥技術比較成熟,在較高的來流壓力下,能提供較大的驅動力來控制閥門調節流量,所以本文將電磁微閥集成到組件之中進行主動分流?

3  流阻匹配及熱設計

針對被動分流單元,優化流體阻力特性和匹配特性,使冷卻液被可靠?準確地分配到各個末端熱沉支路中?首先需要保證被動分流單元的流阻與整個系統設計的流阻分配相匹配,使冷卻液在被動分流階段初步獲得較好的分流?

樹狀分形網絡在國內外有較多的實驗和數值研究,普遍認為基于樹狀分形網絡的流道具有更高的分流均勻性,從而使溫度場分布較為均勻?同時需要設計主動分流單元的微通道散熱翅片和流體通道,以提高對流換熱系數,獲取高的換熱量?本文設計了被動分流單元的分流網絡和主動分流單元的流道和散熱翅片,并進行了仿真優化設計和分析,得到優化后的設計模型?被動分流單元的設計結構流場仿真結果見圖5和表1?

從表1可以看出,被動分流單元分流為4路之后,流量偏差較小,最大和最小的誤差不超過5%,滿足初步被動分流設計要求?

主動分流單元的結構設計如圖6所示?冷卻液從入口分為兩路流過散熱翅片,最后合為一路流出主動分流單元,回到被動分流單元?

主動分流單元的熱仿真結果如圖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℃?對于單個主動分流單元,4個熱源芯片的溫差小于±2℃,溫度分布均勻性較好?

通過數值仿真對被動分流單元的分流流道和主動分流單元的散熱流道進行優化設計,實現了整個系統內部較好的流阻匹配設計和散熱能力設計?

4  實驗測試結果

根據仿真設計結果,設計了一套熱管理樣機,在16元功放熱耗一致和不一致的情況下,實測樣機各個芯片的溫度,驗證熱管理系統的可靠性?

4.1 16元功放熱耗一致

所有模擬功放芯片的熱耗加電25W,對該熱管理系統進行溫度測試?16元模擬功放芯片的表面溫度測試結果如圖8所示?

由測試結果可知,當16元模擬功放芯片的熱耗一致時,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?實測的平均溫度比仿真結果(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個主動分流單元的4個熱耗降低50%,其余主動分流單元的功放芯片熱耗不變(25W),測得的模擬功放芯片表面溫度如圖9所示?

從圖9可以看出,由于其中一個主動分流單元的4個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,通過系統主動調節冷卻液的分配,維持了整個陣列芯片良好的均溫性,保證了良好的電性能?

5  結束語

本文提出了一種主動分流熱管理系統樣機的實施方案,應用于功放陣列散熱單元?以16元T/R功放組件為例,進行了系統方案設計?仿真設計和試驗測試研究?試驗測試結果表明,系統中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?本文為實現大型陣列的均溫性?小型化和集成化提供了初步的基礎研究?

然而,將微型流體控制機構(微閥)集成在系統中,對冷卻資源進行按需分配的做法,在實際工程中實施起來有較大的難度?壓力?流量相互耦合,控制對象是實時變化的?不確定的?非線性的,每個參數的調整都會引起其他參數的變化?這就要求流體控制系統在非線性變工況下實現較高靈敏度和精度的冷卻資源的主動調配?后期將針對機電集成最優化模型展開,使系統最小化?輕量化,流阻合理化,能耗最低化,同時還具有可擴展性?

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