一種高均勻度均溫板系統(tǒng)設(shè)計(jì)及測試

熱設(shè)計(jì) 2023-07-19

來源：技術(shù)專欄 Technical Column

作者：董德勝，曹勇，劉海靜，孫成愷，王國防，倪俊，靳兆峰

摘要：文章通過技術(shù)攻關(guān)成功研制了耐高壓高均勻度的均溫板，耐受壓力高于 5.6 MPa。設(shè)計(jì)了試驗(yàn)測試系統(tǒng)，開展了均溫板熱擴(kuò)散性能和熱響應(yīng)性測試。熱擴(kuò)散性能測試試驗(yàn)結(jié)果顯示，研制的均溫板試件具有顯著的熱擴(kuò)散效果，測試時(shí)試件整體溫差不大于 1 ℃。熱響應(yīng)性能試驗(yàn)結(jié)果顯示，均溫板對熱源功率變化具有近乎同步響應(yīng)特征，表現(xiàn)出了良好的熱響應(yīng)特征。耐高壓均溫板的研制實(shí)現(xiàn)了被動控溫手段解決高熱流密度難題的目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：均溫板高熱流密度熱擴(kuò)散

引言

隨著芯片、電子元件技術(shù)的快速迭代和性能提升，關(guān)鍵元器件、部組件功率大大增加。一般來說 , 散熱功率較大的有源功率器件，如：RF 晶體管和 MMIC 芯片等，其散熱面積相比散熱基板散熱面積小得多，其控溫呈現(xiàn)點(diǎn)狀高熱流密度特征。對于點(diǎn)狀高熱流密度問題，常規(guī)的控溫手段已難以應(yīng)用，已成為產(chǎn)業(yè)應(yīng)用和產(chǎn)品發(fā)展必須解決的問題之一。

高熱流密度問題的本質(zhì)是熱量在小的局部區(qū)域內(nèi)持續(xù)生成，常規(guī)控溫手段在小的局部區(qū)域內(nèi)的熱量排散速率遠(yuǎn)低于熱源發(fā)熱速率，熱量在小的局部區(qū)域形成堆積，導(dǎo)致該區(qū)域的溫度短時(shí)間內(nèi)急劇升高。均溫板技術(shù) 是基于真空腔均熱技術(shù)（Vapor Chamber）發(fā)展的一類熱量均散技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)高密度熱流的快速擴(kuò)散，有效降低局部熱流密度，將高熱流密度控溫難題轉(zhuǎn)化為常規(guī)控溫問題，或?qū)⑤^高復(fù)雜程度的高熱流密度問題轉(zhuǎn)化為能夠?qū)崿F(xiàn)的控溫問題。均溫板的結(jié)構(gòu)和工作原理如圖 1 所示，其結(jié)構(gòu)主要包括：結(jié)構(gòu)殼體、毛細(xì)結(jié)構(gòu)及工作介質(zhì)。

目前關(guān)于均溫板的研究多集中在以水、丙酮、乙醇等低飽和氣壓為工質(zhì)的均溫板研究，受工作溫度范圍、介質(zhì)熱傳輸效率、殼體與介質(zhì)兼容性、不凝性氣體敏感性等問題限制，這些均溫板難以應(yīng)用于高熱流密度控溫領(lǐng)域。

本文選用鋁氨組合基于真空腔原理研制了一種可應(yīng)用于空間環(huán)境的耐壓型均溫板，為空間高熱流密度控溫難題提供了一種可靠高效的被動控溫方案。

耐高壓均溫板研發(fā)

常規(guī)均溫板采用低飽和氣壓介質(zhì)，內(nèi)部腔體一般為僅靠邊緣支撐的腔體或設(shè)置少數(shù)支撐柱的腔體；常規(guī)均溫板整體尺寸較小（一般不大于 100 mm×100 mm），內(nèi)部介質(zhì)流動路徑較短，多采取燒結(jié)毛細(xì)芯作為吸液芯。相比于低壓介質(zhì)，氨的飽和壓力要高的多，如表 1 所示，在 60 ℃時(shí)氨的飽和壓力為水飽和壓力的 130 多倍，因此設(shè)計(jì)的均溫板腔體必須具備良好的承壓能力。考慮到型號應(yīng)用，本文研制的均溫板尺寸為 200 mm×200 mm，內(nèi)部介質(zhì)流動路徑相對較長，沿程阻力損失相對較大，其內(nèi)部毛細(xì)芯需要提供較大的毛細(xì)力和較小的阻力損失。

圖 1 均溫板原理

本文基于 Workbench 平臺采用有限元分析技術(shù)對不同結(jié)構(gòu)和參數(shù)的模型進(jìn)行力學(xué)性能仿真，分析過程選用適應(yīng)性較好的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格離散化模型，如圖 2 所示。均溫板總體上采用多點(diǎn)支撐結(jié)構(gòu)，承壓后最大變形量控制在 0.1 mm 以內(nèi)，仿真過程分析了不同支撐柱形狀、支撐柱尺寸、支撐柱分布、槽道弱化等因素對應(yīng)力和變形的影響，設(shè)計(jì)的目標(biāo)是在滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、熱擴(kuò)散能力、變形量等指標(biāo)的同時(shí)支撐柱數(shù)量、支撐柱體積、整體重量、厚度最小。分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，相對于方形支撐柱采用圓形支撐柱最大應(yīng)力明顯減小；四周邊框尺寸對最大應(yīng)力和應(yīng)變影響較大，邊框厚度要達(dá)到支撐柱直徑的 1.5 倍左右；開槽可增大局部應(yīng)力，基板厚度需要根據(jù)槽道形狀、尺寸和密度進(jìn)行調(diào)整。

圖 2 典型的均溫板模型有限元分析離散化模型

均溫板結(jié)構(gòu)在滿足力學(xué)性能要求的同時(shí)，還需要滿足熱學(xué)性能要求。本文基于 FloEFD 平臺和經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)公式分析了均溫板溫度分布和熱阻構(gòu)成，如圖 3 所示。根據(jù)分析，元器件自身熱阻（R0）、元器件與均溫板之間的熱阻（R1）、殼體導(dǎo)熱熱阻（R2）及均溫板內(nèi)部蒸發(fā)換熱熱阻（R3）為熱量自發(fā)熱元件擴(kuò)散至均溫板過程中的主要熱阻，R0、R1 是升高元器件溫度的主要熱阻，R2、R3 是影響均溫板均溫性的主要熱阻。

圖 3 模型溫度分布仿真和熱阻構(gòu)成分析

耐高壓均溫板性能測試

2.1 測試方案

均溫板性能測試系統(tǒng)主要由恒溫水槽、鋁氨熱管、高溫加熱片、大功率電源、數(shù)據(jù)采集器等組成。均溫板樣機(jī)尺寸為 200 mm× 200 mm，耐壓能力優(yōu)于 5.6 MPa。高溫加熱片產(chǎn)生的高密熱流，經(jīng)研制的均溫板擴(kuò)散后成為常規(guī)密度的熱流，然后由常規(guī)的鋁氨熱管傳輸至冷板。該過程體現(xiàn)了采用被動控溫手段嘗試解決高密度熱流熱控難題。高溫加熱片模擬高功率發(fā)熱元件，為避免燒毀加熱元件應(yīng)在元件表面粘貼測點(diǎn)；冷板模擬空間熱沉。高溫加熱片、均溫板、鋁氨熱管及冷板之間填充界面材料降低接觸熱阻。鋁氨熱管規(guī)格為矩形 37.4×19.1 雙孔熱管，理論最大傳熱能力達(dá) 1 100 W。

2.2 高熱流密度測試

測試時(shí)熱源置于均溫板端角處，理論上該處為均溫板傳熱能力最不利位置，當(dāng)熱源處于其它區(qū)域時(shí)相同工況下應(yīng)具有更佳的均溫性，測點(diǎn)在試件表面的分布如圖 4 所示，均溫板試件的上下側(cè)面均布置有測溫點(diǎn)。測試過程采用逐步提升加熱功率的方法測試不同熱流密度下均溫板試件的熱擴(kuò)散性能。測試結(jié)果如圖 5 所示，不同熱流密度對應(yīng)的加熱功率和均溫板表面溫差如表 2 所示。

圖 4 測點(diǎn)分布圖

圖 5 均溫板樣品耐受熱流密度

根據(jù)圖 5，隨著加熱功率和熱流密度的增大均溫板表面溫度、熱源溫度及均溫板表面溫差均隨之升高。當(dāng)熱流密度為 34.3 W/cm² ，加熱功率為 107.7 W 時(shí)均溫板試件表面最大溫差僅為 0.25 ℃；當(dāng)熱流密度超過 34.3 W/cm²至本試驗(yàn)熱源能夠提供的最大熱流密度 57.7 W/cm² ，均溫板整體完全能夠保持良好的均溫性，整體溫差不超過 1 ℃，表現(xiàn)出來極強(qiáng)的熱擴(kuò)散效果。受熱源加熱能力限制，研制的均溫板試件極限熱擴(kuò)散能力無法測出。就目前衛(wèi)星型號關(guān)鍵設(shè)備、元器件的極端熱流密度而言，本次測試的熱流密度范圍應(yīng)該能夠覆蓋絕大部分衛(wèi)星型號關(guān)鍵設(shè)備、元器件的熱流密度范圍，本文研制的均溫板完全有希望能夠解決更高熱流密度的問題。常規(guī)鋁氨熱管的最大耐受熱流密度約為 3 W/cm²，因此本文研制的均溫板耐受熱流密度能力達(dá)到常規(guī)熱管耐受熱流密度能力的 20 倍以上。

在測試過程中高溫加熱片產(chǎn)生的高密度熱經(jīng)過均溫板、鋁氨熱管傳遞至冷板，實(shí)現(xiàn)了采用被動控溫手段解決高熱流密度控溫難題，本文研制的均溫板為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵器件。

2.2 高熱流密度測試

為了測試均溫板各測點(diǎn)對熱源功率及開啟情況的響應(yīng)，對均溫板開展了熱響應(yīng)測試，測試在圖 3 所示的試驗(yàn)系統(tǒng)內(nèi)開展，熱源及測點(diǎn)布置與熱流密度測試相同。測試過程通過開啟、關(guān)閉電源和連續(xù)調(diào)節(jié)熱源功率模擬熱源工況變化，測試熱流密度范圍為：（0.5 ～ 45）W/cm²，測試結(jié)果如圖 6 所示。

根據(jù)圖 6，均溫板表面溫度和加熱片表面溫度隨熱源功率變化具有近乎同步的熱響應(yīng)效果，均溫板試件表面溫度測點(diǎn)對熱源功率變化的響應(yīng)滯后不大于 8 s，由此說明研制的均溫板其內(nèi)部介質(zhì)具有極快的傳熱速度，因此表現(xiàn)出高效熱擴(kuò)散功能。在熱響應(yīng)過程中，各測點(diǎn)溫差如圖 7 所示，由圖可知均溫板表面溫差在整個(gè)測試過程中保持在 1 ℃以內(nèi)。由此可見，研制的均溫板在變工況或瞬態(tài)傳熱過程中仍具有良好的均溫性。

圖 6 均溫板熱響應(yīng)測試

圖 7 熱響應(yīng)過程中均溫板表面溫差變化

性能比較

本文從工質(zhì)、殼體材料、空間適用性、均溫性等多個(gè)方面總結(jié)對比了本文研制的工程樣機(jī)與了國內(nèi)外同類產(chǎn)品，如表 3 所示。根據(jù)表 3，本文研制的均溫板工程樣機(jī)在空間適用性、耐受熱流密度、均溫性、當(dāng)量導(dǎo)熱性能、溫度使用范圍方面明顯優(yōu)于國內(nèi)外同類產(chǎn)品。