一種基於毛細與小通道複合結構的冷板的製作方法

2023-06-17 03:30:06 1

本發明屬於雷達環境控制技術，特別涉及相控陣雷達高熱流密度功放晶片的溫度控制技術。

背景技術：

隨著GaN類高熱流密度功放晶片的推廣使用，雷達組件的熱流密度不斷提高，隨著散熱量增大，功放間均溫性日益難以得到滿足。

目前小通道冷板在散熱時主要存在以下問題：(1)當冷板上熱源較多時，熱源之間溫差較明顯(最大10℃左右)；(2)當熱源非常集中時，大面積的小通道翅片難以全部有效利用，冷板的傳導熱阻制約了熱量在冷板表面內的擴展。

為了解決雷達組件的高熱流密度散熱問題與功放間均溫性問題，本發明通過結合相變均溫層與小通道水道層的複合冷板結構，均溫層能夠迅速將熱量在冷板平面內擴展開，降低冷板表面溫差，提高冷板局部散熱能力與均溫性，滿足高熱流密度功放晶片的散熱使用要求。

技術實現要素：

本發明為滿足雷達高熱流密度散熱需求，實現改善組件功放間均溫性的目的，提出了一種基於毛細與小通道複合結構的冷板。

實現本發明目的的基於毛細與小通道複合結構的冷板由均溫層與小通道水道層組成，其中均溫層包括毛細結構和蒸汽腔，毛細結構由蒸發層、支撐柱、冷凝層組成。支撐柱連接蒸發層和冷凝層形成密閉結構，毛細結構內為蒸汽腔，蒸汽腔抽真空，灌充相變工質並抽真空；小通道水道層由鋁合金壁面、水道翅片和鋁合金隔層依次組成，其中鋁合金隔層緊鄰毛細結構中的冷凝層；小通道水道由翅片分隔而成，流道內冷卻介質流態服從宏觀流體力學規律；均溫層與小通道水道層一體成型，共用一層鋁合金隔層。

使用上述基於毛細與小通道複合結構的冷板散熱方案如下：熱源熱量經鋁合金壁面熱傳導進入蒸發層，相變工質在蒸發層內受熱蒸發，通過蒸汽腔進入冷凝層，相變工質氣體在冷凝層凝結為液態，釋放出熱量，凝結後的相變工質在毛細力的作用下經過支撐柱返回蒸發層；相變工質凝結後釋放的熱量經過鋁合金隔層熱傳導至小通道水道層的鋁合金壁面，由單相冷卻介質對流換熱帶走。

均溫層完全密封於冷板主體之中，從冷板外表面觀察不出均溫層的位置形狀，某基於毛細與小通道複合結構的冷板外形如圖2所示。

附圖說明

圖1是基於毛細與小通道複合結構的冷板結構示例圖，其中，1為冷凝層；2為小通道水道層；3為鋁合金壁面；4為支撐柱；5為鋁合金壁面；6為蒸發層；7為蒸汽腔；8為鋁合金隔層；9為熱源。

圖2是基於毛細與小通道複合結構的冷板外形。

圖3是小通道水道的示意圖。

圖4是冷板均溫性比較圖。

具體實施方式

本發明的均溫相變冷板示例圖如圖1所示，冷板由均溫層(包括蒸發層、冷凝層、支撐柱、蒸汽腔)與小通道水道層組成，採用特種擴散焊接一體成型的方式焊接成型，均溫層內毛細結構由氧化鋁粉末燒結形成；冷板成型後將均溫層內抽真空，灌充相變工質後密封，從而完成高均溫相變冷板的製造。小通道水道示意圖如圖3所示，小通道水道的水力直徑大於微通道水道，加工難度低，水道內翅片是為了增大對流換熱面積並增強流體擾動，破壞邊界層熱阻，增強對流換熱。

相變冷板的傳熱原理如圖1所示，熱源熱量經鋁合金壁面熱傳導進入蒸發層，相變工質在蒸發層內受熱蒸發，通過蒸汽腔進入冷凝層，相變工質氣體在冷凝層凝結為液態，釋放出熱量，凝結後的相變工質在毛細力的作用下經過支撐住返回蒸發層；相變工質凝結後釋放的熱量經過鋁合金隔層熱傳導至水道壁面，由單向冷卻介質對流換熱帶走。

當組件中熱源晶片數目較多時，晶片間的溫差較難控制。目前TR組件進出液口的冷卻工質溫差一般為5℃左右，另外由於熱源分布不均勻、熱源集中效應以及熱阻不同，導致晶片間的溫差不止5℃。降低晶片間溫差的有效辦法是提高冷板的表面傳熱效率，讓熱量能夠迅速地在冷板表面擴展，降低冷板表面溫差。冷板常用鋁合金(6063、5A05等)的導熱率多為160～210W/mK,而實驗測定，本發明專利中的均溫層當量導熱率能夠達到2000W/mK以上，極大提高了熱量在冷板表面的熱擴展能力，有效降低冷板表面溫差。

另外如圖3所示，小通道冷板內部由大量翅片組成，對於某些TR組件，總熱量雖然不高，但是熱源非常集中，局部熱流密度較高，熱量難以擴散到整個冷板，導致翅片利用效率不高，大部分翅片未能有效參與對流換熱；通過均溫層的熱擴展，可以迅速將熱量擴散到整個冷板表面，有效利用絕大部分翅片進行對流換熱，解決局部熱流密度過高的問題。

相比傳統的小通道冷板冷卻方式，均溫層的引入解決了以下幾個問題：

(1)冷板均溫性問題：由於相變層的當量導熱係數較高，相變層可以迅速將熱量擴散，有效降低冷板表面溫差；熱流密度為70W/cm2下的單純的小通道冷板與均溫相變冷板的均溫性比較見圖4(*號為高均溫相變冷板結果，o號為小通道冷板結果)；

(2)小通道利用效率問題：對於單純的小通道冷板，當熱源遠離小通道水道時，由於傳導熱阻較大，難以發揮遠離熱源的水道的散熱優勢，因此採用均溫層降低傳導熱阻，能夠將遠離熱源的水道充分利用，提高小通道水道利用效率；

利用本發明研製的高均溫相變冷板均溫性好，水道利用效率高，冷板均溫性≤6℃，能夠滿足熱流密度70W/cm2的GaN類晶片散熱要求。