一种发射组件的热设计与实现.pdf

54 集成电路应用 第 40 卷 第 6 期（总第 357 期）2023 年 6 月 Research and Design 研究与设计热耗统计见表1。TR组件结构布局如图2所示，外形尺寸约91mm99mm11mm，主要由四种发热器件组成，单个TR组件总热耗约204.72W，热耗最高的器件为A，单个热耗约47.8W，热流密度高达327.4W/cm2，TR组件的具体热耗统计见表2。2 散热措施TR组件内的芯片通过热传导的方式将产生的热量传递到液冷冷板上，液冷冷板通过流道内冷却液0 引言随着微电子技术和电子设备封装技术的快速发展，现代电子设备的集成度和功率密度正日益提高。通常，电子设备更高的集成度和更高的功率密度会带来更高的热流密度，进而影响电子设备的工作温度。相关研究表明，55%的电子设备的故障及失效与温度有关1。此外，对于设备中的半导体元器件而言，工作温度每升高10，元器件的可靠性就降低50%2。因此，采用高效合理的热设计，将电子设备的工作温度控制在合理的温度区间内，是电子设备稳定可靠工作的重要前提3-5。本文针对某相控阵雷达的发射组件进行热设计及仿真分析，优化传热路径使组件内各元器件的工作温度满足对应的降额要求。1 研究背景某发射组件结构布局如图1所示，两面共分布6个TR组件，单个发射组件总热耗约1 228.32W，具体作者简介：张楠，中国电子科技集团公司第三十八研究所，博士研究生；研究方向：电子设备热控设计。收稿日期：2022-10-13；修回日期：2023-05-27。摘要：阐述高效合理的热设计，将电子设备的工作温度控制在合理的温度区间内，这是电子设备稳定可靠运行的重要前提。针对某相控阵雷达的发射组件进行热设计及仿真分析，优化组件内元器件的传热路径。结果表明，组件内元器件的最高结温为180.66，组件内各器件的最高结温均满足对应要求。关键词：T/R组件，结温，仿真，热设计。中图分类号：TN821.8 文章编号：1674-2583(2023)06-0054-03DOI：10.19339/j.issn.1674-2583.2023.06.021文献引用格式：张楠.一种发射组件的热设计与实现J.集成电路应用,2023,40(06):54-56.一种发射组件的热设计与实现张楠（中国电子科技集团公司第三十八研究所，安徽 230088）Abstract This paper describes that controlling the temperature of electronic equipment in a reasonable temperature range by a rational and efficient thermal design is important for the stability and reliability of electronic equipment.In this work,thermal design and analysis of a transmitting assembly have been carried out,and the optimization of the conductive pathways of electronic components have been carried out.The optimization result shows that the maximum junction temperature of internal components is 180.66,and all the junction temperatures of internal components meet the derating criteria,respectively.Index Terms T/R module,junction temperature,simulation,thermal design.Design and Implementation of Thermal Controlling of a Transmitting AssemblyZHANG Nan（The 38th Research Institute of CETC,Anhui 230088,China.)图1 发射组件结构布局表1 发射组件热耗分布图2 TR组件结构布局 集成电路应用 第 40 卷 第 6 期（总第 357 期）2023 年 6 月 55Research and Design 研究与设计以对流换热的方式将热量传递到冷却液中，再由冷却液将组件产生的热量传递到外界环境。对于芯片A，先将其焊接在钼铜载片上，再将钼铜载片焊接在无氧铜底板上，通过无氧铜的高导热系数，降低芯片A传热路径上的热阻，从而达到强化散热的目标。B、C两处芯片均先焊接在钼铜载片上，再焊接在多层微带板上，多层微带板通过高密度金属过孔接地强化散热，微带板焊接在TR组件的不锈钢壳体上。D处芯片的材质为易切缺钢，直接与TR组件的不锈钢壳体焊接。TR组件通过螺钉紧固安装在液冷冷板上，接触界面涂抹高品质导热硅脂。冷板内布置串联流道，并在热源下方布置矩形翅片，流道结构如图3。3 仿真分析 3.1 仿真模型本文采用热仿真软件对发射组件进行热仿真，以验证方案的可行性。根据热仿真软件建模和仿真的特点及要求，建模过程中对散热影响不大的细节进行了适当的简化，主要简化内容包括：（1）忽略了所有螺钉孔及与冷板传热关系不大的局部部件；（2）流道内倒角按90直角处理；（3）忽略了辐射换热的影响；（4）忽略了自然对流换热的影响；（5）简化了模块的自密封接头，用矩形孔替代。3.2 仿真参数仿真模型中，各层材料及材料的热物性如表3所示。仿真模型中，冷板材料为铝合金5A06，厚度9mm，流道深度为5mm，上下壁面厚度均为2mm。流道内，热源下方均匀布置矩形翅片，翅片厚度1mm，间距1mm，高度5mm。流道内冷却液为60号冷却液，供液温度为35，供液流量约为2.95L/min。3.3 仿真结果与分析TR组件内各元器件的温度分布如图4所示，从图中可以看出，TR组件内部温度最高的器件为芯片A，最高温度约118.24，芯片A及其底部无氧铜衬底的温度分布如图5所示。元器件的结温计算如式（1）。（1）式中，Tj为元器件的结温，Tc为元器件的壳温，Q为元器件的热耗，Rjc为元器件的结壳热阻6,7。TR组件内各元器件的壳温、结温及对应的降额要求如表4所示。从表4中可以看出，芯片A的最高结温高于185，不满足对应的降额要求，其他几组芯片均满足对应的降额要求，因此，需要对芯片A对应的传热路径进行优化。图3 冷板流道结构示意图表2 TR组件热耗分布及指标表3 仿真模型中的材料热物性图4 TR组件内元器件表面温度分布图5 芯片A及无氧铜衬底温度分布 56 集成电路应用 第 40 卷 第 6 期（总第 357 期）2023 年 6 月 Research and Design 研究与设计 3.4 参数优化与分析如图6所示，芯片A的位置距离无氧铜衬底的侧边较近，芯片A产生的热量经过凸台传递到衬底后，向图示方向扩散的效率较低，衬底温度较高。此外，改变无氧铜衬底的厚度也会对芯片A的热传递产生影响。本文首先对芯片A在衬底上的相对位置进行调整，并对不同厚度衬底的TR组件进行仿真，分析无氧铜衬底厚度对芯片A最高壳温的影响。图7给出了不同无氧铜衬底厚度对芯片最高壳温的影响，从图7中可以看出随着衬底厚度的增加，芯片A的最高壳温有明显的下降。表5给出了不同无氧铜衬底厚度对应的芯片A最高壳温及最高结温。从表中可以看出，调整芯片A的相对位置后，芯片的最高结温仍不满足降额要求，将衬底厚度增加至1.2mm后，芯片的最高结温即可满足降额要求。考虑一定的安全宽裕度，本文选择衬底厚度为1.5mm，对应的芯片A最高结温为180.66。TR组件内各元器件的温度分布如图8所示，冷板流阻约15.6kPa，流阻分布如图9所示，TR组件内各元器件的壳温、结温及对应的降额要求如表6所示。4 结语本文针对某高功率发射组件进行热设计及仿真分析，并针对组件内高热流密度的器件进行传热路径优化。结果表明，组件内热流密度最高的元器件的最高结温为180.66，满足器件的额定温度要求，组件内其他各元器件的工作温度也分别满足对应的降额要求。参考文献1 谢德仁.电子设备热设计工作点评J.电子机械工程,1999(01):26-28.2 NELSON L A,SEKHON K S,FRITZ J E.Directheat pipe cooling of semiconductor devicesC.Proceedings of the 3rd International Heat Pipe Conference,1978:373-376.3 李正睿,杨欣悦,吴静.基于Icepak的航天电子产品散热优化仿真分析J.电子机械工程,2019,35(02):38-42.4 任恒,关宏山,彭伟.固态发射机末级组件热设计J.制冷与空调,2016,16(03):17-20+25.5 俞涛,王国超,王宁.雷达电子模块散热模拟测控系统设计与开发J.火控雷达技术,2021,50(04):69-77.6 王子君.星载四通道TR组件散热研究J.集成电路应用,2021,38(06):4-5.7 叶锐,张根烜,关宏山.某高热流密度芯片散热设计与分析J.电子技术,2017,46(08):66-69.表4 TR组件内器件的壳温及结温图6 芯片A及无氧铜衬底图7 无氧铜衬底厚度对芯片最高壳温的影响图8 TR组件内元器件表面温度分布图9 冷板流阻分布表5 不同衬底厚度对应的芯片的最高壳温及结温表6 TR组件内器件的壳温及结温