一种高热流密度有源组件散热技术

戴得德 高青松 李德世 郗 昱

（海装装备项目管理中心，北京100000）

1 有源组件散热技术发展需求分析

随着微波器件的飞速发展，大功率微波功率器件逐渐从硅双极管、砷化镓(GaAs)场效应晶体管向能够输出更高功率的氮化镓(GaN)芯片技术过度，氮化镓有源组件以其高功率、高效率、高可靠性等优点，近年来在国内外的雷达系统中广泛应用。同时为了实现有源相控阵雷达天线阵面小型化、轻量化和高可靠性的目标，氮化镓芯片集成度越来越高，芯片尺寸越来越小的同时，热耗和热流密度急剧增大。因此，如何有效解决高热流密度有源相控阵雷达TR 组件的热设计问题至关重要。

目前，广泛应用的有源组件散热技术主要包括风冷、水冷、传导冷却(包括传导到外壳及热管传导等)等技术。风冷技术利用空气的自然对流和强迫对流现象，并且能够通过改变翅片的形状位置以及界面材料的导热系数来加强换热能力，具有成本低、安全可靠的特点，但随着有源组件热流密度的大幅增加，单纯采用风冷散热的方式已经无法解决高热流密度有源组件散热问题。水冷散热是相控阵雷达常用的散热技术之一，有源组件的热量首先传递到冷板上，再由冷板传给冷却液，最终由冷却液把热量带走，水冷散热具有较强的散热能力，然而由于水冷系统存在冷却液热导率低、运动部件多、振动强、噪音大、可靠性差、体积功耗大等弊端，很难满足小型系统和特殊工程应用的需求，特别在设备体积、重量受限、抗冲击震动能力要高的情况下，通过提高水冷系统抗冲击振动能力，设计难度加大的同时必然会导致水冷设备的体积和重量的增加。热管是一种利用工质蒸发、冷凝相变实现热量高效传输的元件，热管具有优良的等温性、高热传导能力、体积小、结构简单、无失效部件等优点，在有源组件的热控制方面广泛应用，但其传热能力要受到其自身尺寸结构、内部工质、吸液芯以及工作温度等多种因素的制约，而且热管的蒸发端散热器需占用较大空间，使得加载在热管上的热负荷受到限制，热输运能力有限，其扩展至远离热源区域的热量小，对于高热流密度的点热源，大部分热量仍然局限在热源处，当热流密度＞100W/cm2时，应用热管技术已无法解决有源组件的散热问题。热管技术“局部热点”问题严重制约其在高热流密度有源组件中的应用。

综上，有必要探索新的热传导，技术提高和解决高热流密度TR 散热的技术难题。

2 液态金属电磁驱动散热技术分析

固液相变的散热方式是一类值得探索的热管理技术。众所周知，物质在固液相变过程中会吸收巨大的热量而其自身温度却保持不变。这一特殊属性可以用于实现温度控制和热量管理。相变储热具有蓄能密度大、蓄放热过程近似等温、易于控制和可靠性高等优点。相变温控技术并不需要风扇，从而避免风扇具有的振动大、寿命短、噪音大、在缺乏空气的小型密闭系统中风冷效果差，在开放空间易导致肋片缝隙灰尘堵塞等缺点，因此固液相变散热技术受到研究者越来越多的关注，在航空相机、卫星、导弹电路以及机载行波管等方面逐渐被应用，因此，在有源组件热设计中具有应用潜力。

低熔点液态金属是一种特殊的相变材料，种熔点接近室温，具有热导率高(铟的热导率为81.6W/ (m·K)，镓的热导率为29.4W/(m·K)，远高于水的热导率0.599W/(m·K))，单位体积相变潜热大，相变时体积变化小，可靠性高等显著优势，因此，液态金属很早以前就作为换热介质（载热剂）用于和反应堆中。液态金属不易蒸发、不易泄露，安全无毒，物化性质稳定，易回收，是一种安全流动工质，适用于对控温精度要求高、热流密度高、体积受限、均温效果及对可靠性要求高的场合，尤其在超高热流领域具有重要应用价值和潜力，是新一代高性能散热技术的研究热点。

液态金属电磁驱动散热技术利用液态金属作为传热介质，以电磁泵作为动力源，液态金属循环流经热源表面实现散热，散热性能优异，是未来高端散热技术的发展方向，在高热流密度有源组件散热领域具有广阔的应用前景。

3 仿真试验

针对多点热源的高热流密度散热系统进行仿真，分析对液态金属点此驱动散热技术解决高热流密度散热可行性进行分析。

GJB74A-98 中规定室外设备的工作温度为50/55℃，有源组件的安全工作温度为85℃，因此，散热系统对有源组件的温升应小于30℃。

系统结合某项目有源组件的尺寸限制，对2 个高热流密度的点热源和4 个低热流密度点热源的有源组件进行热仿真分析，系统参数如表1 所示，液态金属物理特性如表2 所示，热分析模型如图1 所示。

表1 系统参数

表2 液态金属物性参数

图1 热分析模型

模拟环境温度为40℃，风机风量为63CFM（105.84m3/h）的情况下，仿真结果如图2、图3 和表3 所示。

图2 温度云图

图3 液态金属流线图

表3 热仿真结果

4 结论

通过理论分析和仿真验证可以看出，液态金属电磁驱动散热技术是一种解决高热流密度有源组件散热问题的有效技术手段，并具有以下特点：

4.1 液体金属具有远高于水、空气及许多非金属介质的热导率，因此液态金属散热器相对传统水冷可实现更加高效的热量输运及极限散热能力；

4.2 液态金属的高电导属性使其可采用基于电磁感应原理的电磁泵驱动，无任何运动部件，驱动效率高，没有任何噪音；

4.3 该散热技术集肋片散热和对流散热于一体，大大拓展了传统散热方式的散热表面；

4.4 散热流道可以根据需要进行设计，能够满足多点热源同时散热的需求；

4.5 与其它散热方式相比，散热器体积小、重量轻、能耗低（仅为水冷系统功耗的1/10 左右）；

4.6 安全稳定，可靠性高。