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基于主动分流的功放芯片阵列的热管理设计

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0  引言

随着微电子技术的不断发展,电子芯片的尺寸不断缩小,芯片的热流密度急剧增加,芯片出现的热失效问题增多,严重影响了电子设备的高效、稳定、安全运行和使用寿命。一个常规阵列通常包含十几乃至上百个T/R组件,单个阵列的不同T/R组件的功率也不一致。阵列中各单元的工作热耗一致,但因流阻、加工组装误差、通道一致性等各种因素的差别,实际分配给各单元的冷却资源有较大的差异(通常实际的流体分配量与额定设计值的差别可达10%∼35%),使各单元的实际冷却效果不一样,进而产生了热不均匀性。在阵列电子设备中,T/R组件对工作温度一致性的要求也越来越高,温度分布不均匀对电性能的影响十分显著。在工程界,如何将冷却资源合理分配给每个T/R组件,使T/R组件实现均匀的温度分布是一个迫切需要解决的问题。

传统的阵列散热技术主要采用被动分流方式,分流的稳定性和均匀性较难达到工程要求。同时,实际加工和装配精度及负荷波动等扰动对分流的均匀性也有较大影响。经仿真和实验研究,本文提出的主动式多级热管理系统,可以实现阵列热源芯片(T/R组件)冷却液的合理分配及良好的均温性。该系统主要包括被动分流单元、主动分流单元和流量控制单元。被动分流单元主要是根据流体力学理论,对流道尺寸和结构进行优化的分流板;主动分流部分由微通道散热结构、微型控制阀、温度监测单元等组成;流量控制单元是根据实际阵列功耗的变化与温度反馈,利用比例积分微分(PID)算法实现流量控制。

1  系统设计

1.1边界条件

设计一个热管理系统样机,该样机包含主动分流单元、被动分流单元及温度控制单元。每个主动分流单元的四通道T/R组件作为一个温控单元。在实验中,利用薄膜电阻来模拟T/R功放芯片,其尺寸为3mm×3mm,采用12V电源供电。实验条件如下:1)测试的环境温度为25;2)每个模拟T/R功放热源的最大热耗为25W,热流密度为278W/cm2;3)供液流量为0.6L/min,供液温度为25;4)温度分布一致性考核要求为16T/R功放模拟芯片的均温性≤10

1.2系统集成方案

主动热管理系统由被动分流单元、主动分流单元(包括微通道散热结构、温度监测单元以及微型阀等部件)、流量控制单元等组成。系统冷却液采用一进一出的方式,首先通过被动分流单元,将冷却液分流到各个主动分流单元,作为系统的第一次分液;温度监测单元采集每个主动分流单元上4个模拟功放芯片的功耗及温度;主动流量控制单元通过温度采集反馈—PID算法执行机构(微型网)主动控制主动分流单元的流量,对每个单元的芯片温度进行调节,实现良好的阵列均温性。

1为热管理系统(4个单元)的整体集成原理示意图。系统的冷却液通过进液口进入被动分流单元(一级分流),经初步分流后进入每个主动分流网络单元(二级分流)对热源进行冷却散热,然后再汇流到被动分流单元,返回系统前端。

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主动分流单元由散热微通道、微型阀、密封圈、冷却液入口、冷却液出口和功放元件等组成,如图2所示。它采用一进一出的结构,先流经电磁阀,然后流入内部散热通道。芯片采用微通道散热。目前,国内外对微通道的设计及散热能力进行了较多的仿真和实验研究,实测散热能力可达500W/cm2。电阻对应的分流单元的下表面采用镀金处理,每个主动分流单元微通道上方粘贴有4个热源元件。主动分流单元与被动分流单元接口处通过密封圈密封,防止漏液。微型阀嵌在冷却液入口位置。流量控制单元根据温度分布情况控制冷却液流量的大小。

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被动分流是利用精细设计的流道、耦合重力、加速度等影响要素,固化流体路径上的阻力特性和相互匹配特性,使冷却液可靠、准确地定量分配到各个末端的热沉支路中。

被动分流单元由一个进液口、一个出液口和分流流道组成,分为流道层(分布有分流散热微通道)和盖板层,二者采用真空焊接。系统冷却液由进液口流入,通过被动分流分为4路进入主动分流单元冷却热源组件,之后再汇流到出液口,返回系统前端。

整个热管理系统的集成方案如图3所示,主动分流单元和被动分流单元通过密封圈连接密封。冷却液通过被动分流单元分流后分别到4个主动分流单元。整个系统一共有16T/R模拟功放芯片:4T/R模拟功放芯片安装在一个主动散热单元(4个主动散热单元),4个主动散热单元集成在被动分流单元上。

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2  热源温度控制方案

在主动分流单元热源的温度主要通过主动分流单元调节。在热源表面设置温度采集传感器,采用贴片式热敏电阻,每个热敏电阻在装配前要经过校准筛选,以减小系统温度测量误差。

通过热敏电阻采集热源的温度,再根据温度数据通过采集电路进行温度均匀性比较、PID控制和脉宽调制(PulseWidthModulation,PWM),来控制微型阀,调节主动分流单元的流量,控制16元模拟热源的温度差,使之保持在一定的范围内。图4为系统的控制示意图。

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电磁阀具有较快的响应速度并能提供较大的驱动力和位移。在电子战系统中阵列冷却资源的分配就需要响应速度快,动作执行迅速,有足够的驱动力来克服流体较大的压力。目前电磁阀技术比较成熟,在较高的来流压力下,能提供较大的驱动力来控制阀门调节流量,所以本文将电磁微阀集成到组件之中进行主动分流。

3  流阻匹配及热设计

针对被动分流单元,优化流体阻力特性和匹配特性,使冷却液被可靠、准确地分配到各个末端热沉支路中。首先需要保证被动分流单元的流阻与整个系统设计的流阻分配相匹配,使冷却液在被动分流阶段初步获得较好的分流。

树状分形网络在国内外有较多的实验和数值研究,普遍认为基于树状分形网络的流道具有更高的分流均匀性,从而使温度场分布较为均匀。同时需要设计主动分流单元的微通道散热翅片和流体通道,以提高对流换热系数,获取高的换热量。本文设计了被动分流单元的分流网络和主动分流单元的流道和散热翅片,并进行了仿真优化设计和分析,得到优化后的设计模型。被动分流单元的设计结构流场仿真结果见图5和表1

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从表1可以看出,被动分流单元分流为4路之后,流量偏差较小,最大和最小的误差不超过5%,满足初步被动分流设计要求。

主动分流单元的结构设计如图6所示。冷却液从入口分为两路流过散热翅片,最后合为一路流出主动分流单元,回到被动分流单元。

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主动分流单元的热仿真结果如图7所示。从图7可以看出,在供液量为150mL/min的情况下,4个热源芯片的壳温分别为67.3,69.9,70,67.4,平均温度为68.7。对于单个主动分流单元,4个热源芯片的温差小于±2,温度分布均匀性较好。

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通过数值仿真对被动分流单元的分流流道和主动分流单元的散热流道进行优化设计,实现了整个系统内部较好的流阻匹配设计和散热能力设计。

4  实验测试结果

根据仿真设计结果,设计了一套热管理样机,16元功放热耗一致和不一致的情况下,实测样机各个芯片的温度,验证热管理系统的可靠性。

4.1 16元功放热耗一致

所有模拟功放芯片的热耗加电25W,对该热管理系统进行温度测试。16元模拟功放芯片的表面温度测试结果如图8所示。

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由测试结果可知,16元模拟功放芯片的热耗一致时,16元模拟功放芯片的最低壳温为69.5,最高壳温为75.1,平均温度为72,具有良好的均温性。实测的平均温度比仿真结果(7)的平均温度高3.3

4.2部分模拟功放芯片热耗降低50%

1个主动分流单元的4个热耗降低50%,其余主动分流单元的功放芯片热耗不变(25W),测得的模拟功放芯片表面温度如图9所示。

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从图9可以看出,由于其中一个主动分流单元的4个模拟功放芯片热耗降低了50%,16元阵列的模拟功放芯片的最低壳温为58,最高壳温为66.4,平均壳温为63.3,最大壳温与最小壳的温差小于10,具有良好的均温性。

降低部分模拟功放芯片的功率后,通过系统主动调节冷却液的分配,维持了整个阵列芯片良好的均温性,保证了良好的电性能。

5  结束语

本文提出了一种主动分流热管理系统样机的实施方案,应用于功放阵列散热单元。以16T/R功放组件为例,进行了系统方案设计、仿真设计和试验测试研究。试验测试结果表明,系统中16元阵列功放芯片具有良好的均温性,保证了阵列的电性能与可靠性,最大程度地利用了冷却资源。本文为实现大型阵列的均温性、小型化和集成化提供了初步的基础研究。

然而,将微型流体控制机构(微阀)集成在系统中,对冷却资源进行按需分配的做法,在实际工程中实施起来有较大的难度。压力、流量相互耦合,控制对象是实时变化的、不确定的、非线性的,每个参数的调整都会引起其他参数的变化。这就要求流体控制系统在非线性变工况下实现较高灵敏度和精度的冷却资源的主动调配。后期将针对机电集成最优化模型展开,使系统最小化、轻量化,流阻合理化,能耗最低化,同时还具有可扩展性。

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