高热流密度功放芯片冷却用两相流技术研究*

孔祥举，李 力，钱吉裕，梅 源，张梁娟，孙华冬

(南京电子技术研究所， 江苏 南京 210039)

高热流密度功放芯片冷却用两相流技术研究*

孔祥举，李 力，钱吉裕，梅 源，张梁娟，孙华冬

(南京电子技术研究所， 江苏 南京 210039)

功放芯片是现代雷达和电子战设备最重要的发热器件，其中GaN芯片在T/R组件中得到了越来越广泛的应用。文中针对GaN芯片热耗大、热流密度高等特点，探讨了从两相流冷却技术角度解决散热问题的工程可行性。分析了两相流冷却原理，提出了用菱形肋微通道冷板来强化对流沸腾换热的方法，并搭建了试验系统对散热性能进行了测试。试验结果证明了两相流冷却技术应用于高热流密度功放芯片散热的有效性和可行性，为未来高热流密度功放芯片的散热提供了可行的解决方案。

GaN芯片；高热流密度；两相流冷却

引 言

有源相控阵雷达(AESA)、电子战(EW)和微机械系统技术(MEMS)的飞速发展，有力地推动了T/R组件技术的重大革新，其中作为微波功率输出的功放芯片已从硅芯片、GaAs芯片发展到了第3代半导体GaN芯片。GaN器件的优势在于其输出功率密度大，禁带宽度较大，工作结温较高，单位功率成本相对较低。GaN器件与GaAs芯片相比，前者的功率密度是后者的3倍多[1]。但功放芯片高功率输出、高密度组装和集成化封装设计将导致功放芯片乃至T/R组件的热流密度急剧增大，而功率器件的寿命和可靠性都与温度有关。随着温度的升高，功率器件的寿命以指数速度下降，因此热设计成为军用电子设备的关键技术之一。

1 热控方式选择

美国海军和空军的若干项目显示，在研的GaN芯片热流密度已达500 W/cm2，未来芯片的热流密度将超过1 000 W/cm2，如图1[2]所示。传统单相液冷热设计手段已接近解决散热问题的极限，如图2[3]所示。其中，冲击射流冷却散热能力可达到450 W/cm2，但冲击射流冷却结构较为复杂，射流效果受射流孔径大小、布置方式、冲击角度等影响较大[4]，较难应用于结构紧凑的有源相控阵雷达冷却设计。

图1 功放芯片热流密度发展趋势

图2 各种单相散热方式的散热能力

因此，热设计工程师面临极为紧迫的散热挑战，急需新型的热控技术来解决芯片和T/R组件的散热难题。机械泵驱动的两相流冷却技术，成为国外军用电子设备冷却技术的研究热点。两相流冷却技术的换热能力为单相液冷的3倍多，且在沸腾换热过程中冷却剂温度不变，可使相控阵有源阵面(含有成千上万只功放芯片)各芯片保持较好的温度一致性，因此该技术可较好地解决高热流密度器件的散热问题。自2004年起，DARPA、NASA、美国空军和海军等相关机构组织多家科研机构开展了两相流冷却技术的预先研究，其中Parker公司在研究电子设备民用的同时，也在开展该项技术在雷达领域的应用研究[5-9]。

2 冷板内两相流冷却原理

冷板作为T/R组件的散热设备，饱和或过冷液体冷却剂进入T/R组件冷板，吸收功放芯片等发热器件产生的大量热量，产生蒸发沸腾现象，由液体转变为液相和气相并存的状态，最后流出发热电子设备。“两相”指冷却剂液体(液相)和吸热蒸发而形成的冷却剂蒸气(气相)，如图3所示。

图3 两相流冷板原理

两相流冷板的换热性能取决于流道壁面气泡群的产生、脱离、运动、湮灭等气泡热动力学特性，而气化核的蒸发空间大小对壁面过热度也有较大影响[10]。在流量一定的条件下，根据发热器件不同的发热量和发热密度，即不同的干度x(无量纲数)，冷却剂会产生细泡状流动、弹状流动、环状流动、雾状流动等不同的流动状态，如图4[11]所示。冷板矩形流道内通常为泡状流、弹状流和环状流。考虑两相流的经济性和安全性，干度范围通常为0.55～0.8[12]。

图4 强制沸腾换热流型与传热区域关系图

另外,两相流冷板的换热性能还受到重力方向的影响，即冷板安装的方向会影响发热芯片的温度，这一点与单相液冷方式不同。

3 微小通道两相冷板设计

为提升冷板的散热性能，本文采用微小通道翅片以强化对流沸腾传热，并利用场协同原理对冷板内部流道进行优化设计，协同角β< 90°是强化换热的一种重要条件[13]。在微小通道中，矩形肋速度u与温度梯度T几乎垂直，而菱形肋速度与温度梯度夹角则小于90°，如图5所示。

该冷板流道内布置了菱形翅片阵列，翅片肋厚1.5 mm、间距为1 mm、夹角为60°，设计结果如图6所示。

图6 菱形肋片阵列设计

4 两相冷板换热性能试验设计

为验证菱形通道冷板的两相流换热能力和干度变化以及重力方向对换热性能的影响，设计了两相冷板换热性能试验系统。试验采用等面积的发热电阻代替功放芯片，冷却剂为R134a。测试系统的组成如图7所示，试验样品为高热流密度冷板组装件，如图8所示。

图7 测试系统组成

图8 被测试冷板组装件

两相流冷板的换热性能试验系统包括以下3部分：

1)两相流冷板测试台，提供冷却循环系统，并记录冷却剂流量、压力、温度、干度和发热电阻温度等基本参数；

2)高热流密度冷板组装件，其发热电阻尺寸为5 mm × 2 mm，单只电阻最大发热量为50 W，热流密度最高为500 W/cm2，共8只；

3)冷板，可以0°～90°绕转轴翻转，其进口温度为 28 ℃，质量流速为44 kg/h，干度控制是通过控制冷板上大电阻的发热功率来实现的。

试验结果的测量误差主要包括仪表精度误差和被测试件自身的装配性误差，后者会影响被测电阻之间的温度比对。装配性误差产生于不同发热电阻之间焊接热阻的差异(焊接率不同，焊接热阻有一定变化)及不同射频壳体与冷板的接触热阻的差异。根据经验估算，这个误差反映在电阻(或钼片)表面温度的差异为3 ℃～5 ℃。

5 冷板换热性能测试结果

试验所用发热电阻的热流密度变化在150～500 W/cm2时，测得的电阻焊接表面(钼片)温度与供液温度的温差结果如图9所示，电阻传热途径的热阻Rz近似为恒定值0.08 ℃·cm2/W(干度范围为0.35～0.75)。

图9 不同热流密度下的换热温差

在电阻发热密度为500 W/cm2时，钼片最大温度仅为71 ℃，与供液温度的温差ΔT仅为43 ℃。这个温差(包括冷板对流沸腾温差、热扩展温差和接触温差)仅为单相强化液冷的 2/3。相比之下，两相流冷却技术较好地满足了功放芯片的散热要求，有着较显著的传热优势。

6 不同干度对温度的影响

为验证冷板两相流不同干度的变化对发热电阻散热的影响，在发热电阻热流密度为500 W/ cm2的条件下，改变冷板的出口干度，当x在0.46～0.75之间变化时，电阻表面温度波动范围小于2.5 ℃，没有明显的变化，如图10所示。

图10 不同干度下电阻表面温度

试验结果表明，当冷却剂流量在一定范围内变化时，干度并不直接影响发热器件的温度。对大型相控阵天线阵面冷却而言，两相流冷却技术这一特点显著降低了阵面上成百上千只冷板流量均匀分配的难度。

从试验可知：两相流冷板流量仅为单相液冷的1/5，对高发热量的相控阵天线阵面而言，采用两相流冷却技术，可以较大程度地降低阵面总流量需求，减少阵面冷却管网规模，有利于紧凑型阵面的结构设计。

7 冷板重力方向对散热效果的影响

重力方向也是影响两相流冷板散热效果的因素之一。本文针对T/R冷板不同的安装角度进行了温度测试和试验研究，冷板的倾角范围为0°～90°，冷板倾角变化试验如图11所示，测得的实验结果如图12所示。

图11 冷板倾角变化试验

图12 温差与冷板倾角变化关系

试验结果表明：90°倾角的电阻温度比0°倾角的低2 ℃～6 ℃以上；在低流量大干度(x= 0.47)的条件下，冷板倾角变化对发热电阻温度的影响大于大流量低干度条件下的影响。

从气泡动力特性分析，当冷板水平放置时(热源朝上，倾角为0°)，气泡的生长与运动受到冷板流道壁面的垂直方面抑制。而在垂直放置(90°倾角)条件下，流道壁面的垂直方面抑制消失，有利于气泡的生长与脱离，加快冷板流道受热壁面补液与气泡再生，提高了冷却剂的有效蒸发速率，从而降低了冷板壁面的温度。

8 结束语

本文采用两相流冷却技术，解决了第3代半导体功放芯片高热流密度散热的难题。通过分析冷板内两相流冷却原理，设计了菱形翅片冷板以强化沸腾换热。根据试验结果，分析了两相流的换热性能以及冷却剂干度和冷板倾角对电阻温度的影响。冷板换热性能试验表明，两相流冷却方式是解决高热流密度芯片散热问题的极为有效的方式之一。

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孔祥举(1975-)，男，高级工程师，主要从事相控阵雷达冷却系统设计工作。

Research on Two-phase Flow Cooling Technology for Power Amplifier Chipwith High Heat Flux

KONG Xiang-ju，LI Li，QIAN Ji-yu，MEI Yuan，ZHANG Liang-juan，SUN Hua-dong

(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology,Nanjing210039,China)

The power amplifier chip is the most important heating electronic component of the modern radar and electronic warfare equipment. And the GaN chip is more and more widely used in the T/R module. Since high-power density of GaN chip constitutes a great challenge to thermal design, the two-phase flow cooling technology is discussed in this paper to solve the heat dissipation. The theory of two-phase flow cooling in the cold plate is introduced. A new method of enhancing boiling heat transfer by using rhombus channel is proposed and the heat transfer performance is tested. The results show that the new method is very effective and feasible and the two-phase flow cooling technology is a viable solution to heat dissipation of high heat flux electronics in the future.

GaN chip; high heat flux; two-phase flow cooling

2016-07-09

TK124

A

1008-5300(2016)04-0016-04