0 引言
数字阵列模块(Digital Array Module，DAM)是数字相控阵天线的核心组成部分，主要负责多通道数字信号的收发和处理功能[1]，同时也是天线阵面的主要热源。随着相控阵天线朝着高功率、高灵敏度和高分辨率方向发展，以及GaN类芯片的大范围应用，组件芯片热流密度普遍达到100 W/m2量级，并且逐渐向着1 000 W/m2迈进。因此，实现DAM的高效散热便成了关键问题。研究表明，DAM性能受其内部半导体器件温度影响较大，散热不畅将引起其幅度和相位的偏差[2-3]。为保证其长期稳定可靠的工作，必须采取有效的热控手段以保证其工作温度在许可范围内。
对于DAM散热的研究，目前主要散热方式有风冷[4-5]、液冷[6]和两相流冷却[7]。采用风扇驱动的主动式风冷，因其成本低廉、使用方便，得以广泛应用，但散热能力有限[8-9]。随着高集成、高功率和高热耗DAM的需求不断增长，风冷散热方式已无法满足高热耗DAM的散热需求。
为有效解决该问题，一种两相冷却系统被提出。Wits[7]和Nikolaenko[10]对两相热管用于雷达系统中功率器件的冷却开展了实验研究。张根烜[11]和Hartenstine[12]提出将两相闭式热虹吸回路系统应用于功率器件的冷却，并通过实验研究了系统充液量、工作倾角等参数对系统散热性能的影响。由于两相流系统工质的流动依靠两相流的虹吸效应，对于微小型雷达系统的冷却效果较好，很难应用于大型复杂天线阵面的散热。
为此，时海涛[13]和Alpsan[14]提出将液冷冷板应用于雷达DAM组件的散热，通过仿真分析对冷板流道结构及其散热性能进行了优化研究。为建立有源相控阵天线冷板通道的设计准则，Park[15]利用计算流体动力学分析的方法，评估了冷板内流体流速、发射/接收模块数量与冷板冷却性能的关系。然而，上述文献的研究焦点仅集中在冷板自身的结构和流动特性上(如研究新的冷板形式、流道类型等)。对于DAM内元器件，其热量如何传递至冷板，即元器件的散热途径问题很少有文献开展研究。
本文首次针对32通道DAM开展散热设计研究，提出采用双层凸台的设计方案，以解决DAM内部大功率元器件的散热途径问题；提出冷板与DAM框架结合的一体化设计思路，以解决DAM结构高集成度的需求。首先通过热仿真手段对一体化设计方案进行验证，并探索双层凸台的散热机理。之后，设计不同宽度的凸台，研究双层凸台尺寸对器件温度的影响规律。
1 研究对象简介
1.1 结构描述
DAM主体尺寸为232 mm×152 mm×37 mm(长×宽×高)，其内部结构如图 1所示。DAM主要由印制电路板(PCB)、器件G、框架构成，PCB和器件G通过多个螺钉固定在壳体上。PCB两侧均分布有元器件，其主要发热器件布局如图 2所示。PCB上所有器件均通过表贴焊接的方式安装于PCB上。
图1 DAM内部结构
(a) PCB上部 (b) PCB下部
图2 PCB主要器件布局
1.2 发热器件热耗参数
DAM发热器件的热耗值见表 1，整个DAM发热量为317.9 W。其中，器件A的热流密度最高，为11 W/cm2。
表1 模块主要设备热量情况
名称尺寸/(mm×mm×mm)数量单个热耗/W热流密度/(W·cm-2)总热耗/WA10×10×1811.011.088.0B7.5×6×450.61.333.0C9×9×132.32.846.9D16.4×16.4×413.21.193.2E16×16×3.5313.65.3140.8F45×45×3.5132.01.5832.0G50×42×15.8818.00.86144.0
2 关键问题及解决措施
本文研究的DAM模块体积小、总体热耗高、器件局部热流密度大，为确保器件的正常工作，需保证DAM内所有器件壳温不超过85 ℃。由于热耗大部分集中在PCB上，因而针对PCB上的器件，提出采用双层凸台+一体化液冷板的设计方案，如图3所示。
图3 DAM内部器件传热路径
对于PCB上部的器件(A、B、C、D)，通过在盖板上设置凸台，使热量由器件传导至盖板，然后再通过框架传导至冷板。同时，在冷板上设置凸台，使器件热量通过PCB传导至凸台，最后传导至冷板。所有器件与凸台接触面垫导热衬垫，导热衬垫厚度为0.5 mm，热导率为5 W/(m·℃)。盖板与框架之间通过螺钉连接，接触面涂导热硅脂。
对于PCB下部的组件(E、F)，可通过与冷板直接接触导热，接触面垫0.5 mm厚的导热衬垫。
器件G则通过螺钉安装在冷板下部，产生的热量可直接传导至冷板，其与冷板之间的接触面涂导热硅脂。
由于空间限制，DAM的液冷板采用与框架一体化加工。在框体中间的金属板内开设相应的流道，依靠流道内冷却液的流动与冷板进行热交换，从而带走DAM的热量，也即把框架中间的金属板加工成液冷板。其中，冷板采用蛇形流道，并保证流道流经主要发热器件正下方[16]。将冷板与框架结构一体化设计，中间的冷板不仅起到散热作用，同时可作为PCB和四通道前端模块的支撑结构。冷板流道截面为矩形，尺寸为8 mm×4 mm(宽×高)，流道布局如图4所示。由于器件A的热流密度高，为强化冷板散热效果，对于器件A下方的流道，在内部增设三条散热翅片，翅片厚1 mm，间距2 mm，同时拓宽流道截面至11 mm。
(a) 流道截面图 (b) 流道透视图
图4 冷板流道布局
3 模型构建
3.1 材料物性
根据软件建模以及模块自身的特点，建模过程中对一些与散热影响不大的细节特征进行了适当的简化。主要简化内容包括：
1) 忽略辐射散热的影响；
2) 忽略了小圆孔、螺钉孔、倒角等特征；
3) 忽略了部分小的筋板；
4) 材料热物性不随温度发生变化。
模型涉及的材料热物性见表 2。考虑到环境适应性，冷却液选择浓度60%的乙二醇溶液。PCB板材料热导率设置为各向异性，沿PCB板厚度方向热导率为0.5 W/(m·℃)，沿平面方向热导率为42 W/(m·℃)。框架及冷板材料为铝合金。
表2 材料热物性参数
名称密度/(kg·m-3)比热/(J/(kg·℃))热导率/(W/(m·℃))运动粘度/(m2·s-1)冷却液109831000.384.8×10-6PCB12501300厚度方向0.5平面方向42铝合金2700896154
3.2 边界条件
由于DAM的工作温度范围为-40～+55 ℃，计算时选取最高工作温度55 ℃作为环境温度。冷却液流量为1.44×10-5 m3/s，入口温度为30 ℃。冷却液流动粘度模型为层流，选取基于压力-速度的耦合求解器，计算条件为稳态。
3.3 网格无关性验证
为确保计算结果的准确性，需对模型的网格尺寸进行分析。为此，分别对不同网格数量的模型开展计算，图 5给出了器件A的温度与网格数的关系。可以看出，当网格数量大于200万之后，器件A的温度基本不变，表明计算结果与网格尺寸无关。因而，为获得准确的计算结果，后续计算过程中模型网格数量保持在250万左右。
图5 器件A温度与网格数的关系
4 结果分析
4.1 凸台形式影响分析
图 6为环境温度55 ℃情况下，拥有双层凸台的DAM内部器件温度分布云图。可以看出，在30 ℃供液条件下DAM内部器件A的温度最高，达到83 ℃，表明所有器件均满足壳温低于85 ℃的冷却要求。图 7给出了DAM截面温度云图，对照图 3可知，双层凸台+一体化液冷板的设计使得DAM内部器件拥有通畅的导热路径，保证了所有器件热量均能快速地传递至冷板。对于器件A，通过提取内部热流密度，可得到器件A通过上凸台传导的平均热量为8.4 W，通过下凸台传导的平均热量为1.1 W，通过PCB横向传递的平均热量为1.5 W。可见，器件A的热量主要通过上凸台导出。尽管器件A是直接焊接在PCB上的，由于PCB的各向异性[17]，其在厚度方向的热导率仅为0.5 W/(m·℃)，纵向传导热阻较大，因而器件A的热量很难通过PCB纵向传导至下凸台。同时，PCB在平面方向的热导率为42 W/(m·℃)，横向扩展热阻较小，因而器件A可通过PCB横向传导1.5 W的热量。
(a) DAM
(b) PCB
图6 DAM内部器件温度分布云图
图7 DAM截面温度云图
对于PCB上部的其他器件，其散热机理与器件A相似。对于PCB下部的器件E和F，其直接与冷板接触，因而其热量可直接传导至冷板。
作为对比，本文同样研究了仅有上层凸台和仅有下层凸台时，DAM内部器件的温度水平，器件壳温计算结果对比见表3。可以看出，仅有下层凸台时，器件A、B、C和D的壳温严重超出指标要求。仅有上层凸台时，虽然器件温度水平与下层凸台形式相比得到大幅降低，但器件A的温度仍旧不满足指标要求。因而可以看出，对于双层凸台的散热形式，器件A、B、C、D的热量主要通过上层凸台导出，这一点与前述分析结果一致。
表3 不同凸台形式时的器件壳温 ℃
凸台形式ABCDEFG双层凸台83.065.968.266.754.851.547.8上层凸台85.267.970.669.556.353.447.9下层凸台212.2102.8125.6103.365.662.248.5
4.2 凸台尺寸影响分析
为研究双层凸台尺寸对器件温度的影响，以器件A位置处的凸台为研究对象，分别设计了不同宽度的凸台。以凸台宽度与器件宽度的比值ε为分析对象，ε分别取1∶3、1∶2、1∶1、2∶1、3∶1、4∶1(上下凸台宽度相同)，相应的计算结果如图 8所示。可以看出，当ε值由1∶3增大至1∶1时，器件A的温度显著降低，也即凸台尺寸越大，散热能力显著提高；当ε值大于1∶1后，凸台尺寸的增大对散热能力提升的贡献并不显著。该现象可由凸台的扩展热阻来解释[18]。当凸台尺寸较小时，影响凸台散热的瓶颈在于凸台的横向扩展热阻较大。随着凸台的ε值增大至1∶1，凸台横向扩展热阻显著减小，因而器件温度显著降低。当ε值大于1∶1，此时散热瓶颈在于凸台的纵向导热热阻，因而继续增大凸台宽度，对散热能力的提升较小。因此，工程设计中建议ε值应大于1∶1。
图8 凸台/器件宽度比ε对器件A温度的影响
5 结束语
针对32通道DAM散热问题，采用了双层凸台和一体化冷板的设计方案，热分析结果表明，DAM内部器件最高壳温为83 ℃，满足器件壳温不超过85 ℃的要求。同时，通过对凸台导热路径的分析，阐述了双层凸台的散热机理。最后，研究了凸台宽度对器件温度的影响，建议凸台/器件宽度比ε应大于1∶1。本文提出的设计思路，可为多通道DAM的散热问题提供更有效的解决手段。
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