某功放模块散热冷板设计与仿真分析

田 野，王成非，范鹏杰，方 堃

（中国船舶重工集团公司第七二三研究所，江苏扬州 225001）

0 引言

功率放大器（简称功放）是雷达和电子干扰设备中的关键器件，其工作状态的好坏直接影响发射机可靠性。由于功率放大器，其体积小、发热量大、热流密度高，仅靠封装外壳散热无法满足散热要求，所以需选择合理的散热和冷却方法，设计有效的散热系统，把电子元器件的温度控制在规定值以下，在热源至外部环境之间提供一条低热阻通道，以确保热量顺利地交换出去[1]。

贺献武等[2]提出了一种液冷功放模块的优化设计方案，对比不同界面材料下功放壳温情况，并通过热仿真和测试验证了设计的有效性，其中功放芯片热量90 W，尺寸6 mm×20 mm，热流密度较小，常规的冷板设计就能解决该散热问题。候满宏等[3]提出一种小型化车载功放液冷机箱，其采用冷板与功放模块一体化加工，并对串联、并联流道对测试温度的影响进行分析。李兵强等[4]对一种热耗值为250 W功放模块的散热结构进行优化设计，提出一种强迫风冷散热解决方案，通过试验测试验证了仿真数据和测试数据的关系，误差值小于5%。金之钰等[5]对辐射状流道、交错装流道、倾斜扰流柱设计等多种不同微流道设计方式对冷板散热效果、冷板流阻的影响分析。本文针对某功放模块的热设计需求，设计一种液冷板，并结合热仿真分析进行冷板结构优化设计和整体方案优化设计，将功放模块中GaN芯片节温控制在190℃左右，满足功放模块内部器件的热设计使用需求，对后续高功率GaN芯片的热设计提供参考借鉴。

1 功放模块热设计

1.1 功放模块概述

该模块为某舰载设备中使用的功率放大模块，简称功放模块，是该型设备的重要功能部件。如图1所示，该模块的外形尺 寸 为240 mm×140 mm×22 mm，模块内部安装有合成模块、4个放大模块、功分模块、驱动模块等，发热量较大的是放大模块和驱动模块中的芯片，其中每个放大模块中有2片GaN功放主芯片，驱动模块中有1片驱动模块芯片。

图1 功放模块示意图

功放主芯片尺寸为5.2 mm×3.5 mm，满功率使用时发热量约为120 W，驱动模块芯片尺寸为4.1 mm×3 mm，满功率使用时发热量约为50 W。如图2所示，芯片发热功率高，面积小，从而导致热流密度特别高达到659 W/cm2，因此模块散热设计直接影响功放模块的使用效果。

图2 功放模块散热区域示意图

1.2 冷却方式选择

常用的冷却方式有自然风冷、强迫风冷和强迫液冷。一般热流密度小于或等于0.04 W/cm²的电子元器件可选择自然风冷；热流密度在0.04～0.6 W/cm²时，可采用强迫风冷；热流密度大于或等于0.6 W/cm²时，须采用强迫液体冷却。该功放管表面的热流密度达659 W/cm²，故须采用强迫液冷的冷却方式[6]。如图3所示。

图3 常见冷却方式的热流密度与温升

按照是否与电子元器件接触液分为直接冷却和间接冷却；按照传热流体的不同，可分为水冷、油冷，其他有机液体冷却等。其中水的比热容较大，没有特殊要求时多采用水冷方式，为防止对管道的腐蚀、结垢，可加入缓蚀剂和使用磁化水、去离子水等。在军用装备中，考虑到低温等极端环境，要使用乙二醇等防冻液作为冷却工质[7]，本文中功放模块使用环境为舰载条件，根据相关标准，需要考虑在-40℃温度下正常工作，因此选用65#防冻液作为冷却工质。

功放模块4个功放主芯片热耗一共960 W，1个驱动模块芯片热耗50 W，其他模块发热量约70 W，单个功放模块总热耗约为1 080 W。每块冷板上放置2个功放模块，总热耗为2 160 W，冷板中间电源部分热耗约为40 W，每块冷板热耗为2 200 W。

根据热量计算公式Q=Cp×qm×Δt=Cp×(qv×ρ)×Δt[7]；因此得到流量计算公式：

式中：Q为总热耗，W；Cp为冷却流体定压比热容，J/kg·℃；Δt为冷却流体进、出口温差，℃；ρ为冷却流体密度，kg/m3；S为安全系数。

其中冷却流体选择65#冷却液，Cp=3 151 J/kg·℃，ρ=1 076 kg/m3，S=1.1[2]。由式（1）可得：

如图4所示，冷板流道采用常规蛇形流道，流道流经功放模块底部的发热区域。冷板进出口水接头选用STAUBLI CGO 08盲插水接头，其在流速5 m/s时，最大工作流量为15 L/min，压 降0.22 bar（1 bar=0.1 MPa），在10 L/min流速时，压降0.1 bar，满足该冷板使用要求。

(1) 在模型填筑之前，对现场取回的土样进行取样测定土体含水率，若含水率偏小，则加水搅拌至所需含水率；若含水率偏大，则将土体铺平晾晒，直至满足试验要求，控制含水率为28%～32%之间。

图4 冷板流道示意图

1.3 热仿真计算

热仿真分析与计算采用电子设备仿真软件FloEFD（NX10.0）进行计算分析。冷板冷却液入口温度为40℃，环境温度设置为65℃，冷却液流量8.5 L/min。

导热路径上各材料导热系数设置如下：芯片导热系数设定为201 W/（m·℃），芯片载板材料为Cu/Mo/Cu导热系数设定为300 W/（m·℃），芯片封装壳体材料为紫铜297 W/（m·℃），功放铝壳的导热系数209 W/（m·℃），液冷板同样为铝材。接触面1、接触面2为焊接连接，热阻忽略不计；接触面3为0.1mm厚铟箔，导热系数为80W/（m·℃）[5]；界面4为硅脂4 W/（m·℃），热阻为0.022 in2·℃/W。如图5所示。

图5 功放芯片散热结构

1.4 仿真结果分析

从图6仿真计算结果可知，冷板表面温度最高为65℃，功放芯片主要的场效应管发热区域最高温度已经达到了280℃，远超过GaN芯片的最高允许节温225℃[2]，不符合功放模块的使用条件。分析原因主要有以下几方面。

图6 冷板表面温度示意图

（1）单芯片发热量大，功放主芯片尺寸为5.2 mm×3.5 mm，满功率使用时发热量高达120 W，常规的夜冷板设计思路难以解决如此高热量的散热需求。

（2）从芯片场效应管区域到冷板的先后经过了芯片载板→放大模块壳体→功放模块壳体→液冷板，热源需要经过4种中间介质和4层接触面才能到达冷端将热量导出。功放模块的热量从功放芯片到冷板，经历了多个界面，形成较大的界面热阻，会极大的阻碍热扩散。

（3）从功放芯片到冷板之间一维传导热阻过大。如图7所示。热量从芯片到冷板之间传导过程中会形成扩展热阻和一维传导热阻，增加传导层的厚度可以增加有效散热面积，减小扩展热阻，但同时也增加了一维扩展热阻。因此必然存在一个合适的热传导厚度使得总传导热阻最小。从工程应用经验中得知，一般情况下最优的热传导厚度为2～3 mm[8]。

图7 功放芯片表面温度示意图

因此需要对冷板和功放模块进行优化设计，使芯片表面的节温达到使用需求。

2 优化设计

2.1 功放模块优化

为了最大限度的维持已有的功放模块设计链路关系，优化设计主要有以下几方面。

（2）将放大模块的铜壳壁厚减薄，在液冷板上将冷却液到功放芯片底部的热传导距离做到最小。其余模块如合成模块安装时在液冷板上开槽，由于其发热量较小，舍弃底部的流道。

如图8所示，优化设计后CuMoCu载片到液冷板之间热传导距离由原先的8.5 mm减小到3.5 mm。

图8 优化后功放芯片散热结构

2.2 冷板优化

改变常规的蛇形流道，在放大模块底部增加流道的宽度，并在流道中间增加扰流柱，一方面可以增加冷板散热面积，另一方面可以增强流体的湍流换热，从而提高换热能力，但是增加扰流柱会使冷板的流阻增加，将在后面的仿真中验证其可行性。如图9所示。

图9 优化后冷板流道

2.3 热仿真计算

优化后的热耗分布与原设计模块一致，仿真参数设置一致，冷板冷却液入口温度为40℃，环境温度设置为65℃，冷却液流量8.5 L/min。计算后的仿真云图如图10～12所示。从仿真结果可知优化设计后，放大模块散热区域冷板表面温度最高为72℃，最低65℃，均温性7℃；功放芯片主要的场效应管发热区域最高温度189.7℃；放大模块壳体外壁最高温度60℃。温度特性满足功放模块的使用要求。

图10 冷板表面温度云图

图11 功放芯片表面温度云图

图12 放大模块壳体温度云图

流体进出口流阻约为2.3 bar，加上两个流体连接器流阻约为0.2 bar，计算得到的冷板总流阻约为2.5 bar，符合冷板流阻设计要求。如图13所示。

图13 冷板流阻云图

3 试验验证

为了验证仿真结果的准确性，将分两种方案分别进行验证，由于在通液情况下芯片的节温难以直接检测，验证方案1通过测试放大模块侧壁的壳温与仿真结果的放大模块壳温进行对比，间接验证仿真结果是否准确；验证方案2将单个放大模块放置在红外热成像仪的温度测试平台上，通过外部仪表施加激励，模拟实际功耗，观测芯片表面发热区域温度值，测得准确的芯片节温，并与仿真结果进行对比。

3.1 放大模块温度验证

将几种模块搭建在测试用冷板上，并在放大模块侧壁上5处位置粘贴温度热电偶，用安捷伦数据采集仪测试电偶点温度[9]。如图14所示。由于是单个模块测试，通液流量设置为4.5 L/min，通 液 温 度40℃，稳定运行20 min后进行数据读数。5个热电偶中温度最高读数为62℃，与仿真结果中的60℃温度值接近，说明该仿真结果能够较好地反应冷板表面和放大模块测壁温度。放大模块在稳定运行2 h后停止验证试验，同时也证明该冷板结构设计优化，功放模块的设计优化效果明显，能够满足放大模块散热使用需求。

图14 优化后冷板实物试验

3.2 功放芯片节温验证

将单个放大模块拆开盖板放置在红外热成像仪的温度测试平台上[10]，恒温台温度调至40℃，施加外部激励将放大模块满功率运行，单芯片热耗值接近120 W，观测芯片表面节温最高约为201℃。如图15所示。仿真计算节温最高为189.7℃，其中有10℃偏差，分析原因主要为温度测试平台的恒温台较小总散热功率有限，适用于小热耗芯片的测试，还有恒温台底部为普通蛇形流道，并非专门设计由于散热的专用冷板，热传导能力一般。但201℃节温值依然满足GaN芯片225℃节温需求。

图15 功放芯片节温

4 结束语

本文阐述了功放模块冷板初步设计、热仿真、优化设计、热仿真验证、试验验证整个过程。通过优化冷板流道，减小功放芯片到冷板的垂向一维传导热阻，减少一次接触界面，降低界面热阻来增强冷板散热能力。仿真结果显示，优化设计后可将功放芯片的节温控制在190℃左右。经过两种方式试验测试，功放芯片节温与仿真温度接近，实测节温满足使用条件，说明优化设计后的方案能够满足该功放模块的热设计要求。

本文通过对功放模块的热设计及优化验证，验证了热流密度为659 W/cm2的GaN芯片热设计可以通过优化冷板设计、优化传导热阻和界面热阻的方式实现，但也已经接近GaN芯片的节温极限值。为以后高散热需求GaN芯片热设计提供借鉴参考。