解正康，汪 奕，趙希芳，段柳浠

（南京電子技術研究所，江蘇 南京 210039）

引 言

隨著微電子技術的不斷發(fā)展，微型化、高集成度、大功率芯片在各類電子器件中的應用越來越多[1]。電子器件的體積不斷減小，高功率芯片的密度不斷增大，電子元器件的功率密度和熱流密度也大幅度提高[2]。每個芯片均有自己最適宜的工作溫度區(qū)間，如果芯片的工作溫度超過這個區(qū)間，其可靠性將成指數(shù)下降。因此只有對電子設備進行有效的熱管理，才能保證其運行的可靠性。

在有源相控陣雷達中，T/R組件就是當代微電子技術不斷發(fā)展的產(chǎn)物，它對散熱的要求十分苛刻。熱流密度較大的有源相控陣雷達一般采用液冷線陣冷板與T/R組件緊貼的方式來為T/R組件散熱。線陣冷板相當于一個換熱器[3]，組件工作時產(chǎn)生的熱量通過組件的殼體傳導至冷板表面，冷板表面的熱量與冷板內(nèi)部流道的冷卻液對流換熱，通過冷卻液的流動和循環(huán)，將熱量帶走。本文詳細介紹了某有源相控陣雷達線陣冷板的設計方法與制造工藝。

1 線陣冷板流道截面形狀選擇

目前在有源相控陣雷達線陣冷板中應用最廣泛、最成熟的是通過深孔鉆的形式制作出來的普通圓截面流道冷板。這種冷板的成型方式為：首先在冷板主體上打幾排并列的圓形通孔，然后通過堵頭與冷板主體焊接，將這幾條并列的圓形深孔串聯(lián)起來，形成S型流道。由于圓形通孔的長度較長，其鉆頭的直徑因剛強度的影響無法做得很小，所以一般線陣冷板的流道直徑不小于3 mm。這種線陣冷板的優(yōu)點是結構簡單，加工容易，焊接技術成熟。缺點是換熱能力不足，無法滿足熱流密度越來越大的T/R組件的散熱需求。因此，為了增強該線陣冷板的換熱能力，必須對流道截面的結構形式進行優(yōu)化。目前小通道冷板和微通道冷板因其顯著的換熱能力，越來越多地被應用在高功率電子設備中。小通道冷板和微通道冷板的結構形式按截面形狀可分為矩形、三角形、梯形、圓形、T形等。最常見也最容易加工實現(xiàn)的是矩形截面，其典型結構形式如圖1所示。

圖1 矩形截面流道冷板結構形式

矩形截面流道的當量直徑Dh為:

式中：W為流道寬度；H為流道高度；D為肋片厚度。

微通道冷板通常是指當量直徑在10～1 000 μm的冷板[4]，而小通道冷板通常是指當量直徑略大于1 000 μm的冷板。根據(jù)文獻[1]和文獻[5]中的實驗數(shù)據(jù)，在外界條件相同的情況下，散熱能力的排序為微通道矩形流道冷板>小通道矩形流道冷板>普通圓截面流道冷板。在加工難易程度和加工成本上，同樣也是微通道矩形流道冷板>小通道矩形流道冷板>普通圓截面流道冷板。因此，必須從散熱能力、加工難易程度和加工成本上綜合考慮，在滿足散熱需求的前提下，選擇加工容易和成本低的流道截面形式。

某有源相控陣雷達也是利用液冷線陣冷板來對T/R組件進行安裝固定和散熱。該雷達的供液溫度高達75°C，流經(jīng)后端有源元器件后，到達線陣冷板入口時的溫度為78°C。選擇最長、熱耗最高的一條線陣冷板進行流道的優(yōu)化設計。該線陣冷板的兩側各分布了6個四通道的T/R組件和2個兩通道的T/R組件，單通道功率為10 W，按20%占空比工作。T/R組件發(fā)熱量最多的功放芯片結溫≤140°C，傳熱路徑為功放→基板→組件殼體→冷板，結殼熱阻取1.15°C/W。以上述邊界條件來進行線陣冷板流道截面的設計，并通過熱仿真來進行計算迭代。最終選擇小通道矩形流道與普通矩形流道組合的流道形式，在功放芯片下方排布小通道矩形流道，尺寸為深3.7 mm，寬1 mm；在其他發(fā)熱量小的下方排布普通矩形流道，尺寸為深3.7 mm，寬3 mm。冷板的截面視圖和T/R冷板熱力學仿真溫度分布如圖2所示。

圖2 冷板截面圖和溫度分布

由圖2可知，運用小通道矩形流道與普通矩形流道組合的線陣冷板，在該嚴苛的供液溫度和工作環(huán)境下，單條冷板上核心芯片的溫度差可以控制在5°C，滿足均溫性要求。功放芯片殼溫最高為98.6°C，結殼熱阻按照1.15°C/W估算，芯片的峰值熱耗為21.35 W，則推算得功放芯片的結溫為123.2°C< 140°C，滿足二級降額要求。由此可知，該線陣冷板滿足T/R組件的散熱需求。

2 小通道矩形流道冷板制造工藝技術

2.1 小通道矩形流道冷板工藝結構設計

由于該線陣冷板內(nèi)部有矩形截面小通道，所以其工藝拆分模型應為底板+蓋板的模式。底板+蓋板可有2種不同的結構形式，如圖3所示。

圖3 底板+蓋板的2種不同結構形式

2種結構形式的底板和蓋板均可先通過高速銑的方式加工成型，再將兩者焊接起來形成一個擁有內(nèi)部流道的冷板毛坯件，最后對該冷板毛坯件進行精加工，形成最終的冷板精加工零件。這兩種結構拆分形式均可實現(xiàn)小通道矩形流道線陣冷板的加工制作，具體形式的選擇可根據(jù)不同焊接方式以及具體結構特點來決定。方式1適合槽深較淺、槽寬較大的冷板結構拆分，因為這種方式的矩形槽需在底板上加工成型，矩形槽越深越窄，其可加工性就越差。方式2將矩形槽對半分，加工難度大幅下降。方式1比方式2更適合釬焊方式，因為釬焊需要鋪設焊料，采用方式1，焊接時將蓋板朝下，可避免焊料融化流入矩形槽內(nèi)堵塞流道。

2.2 小通道矩形流道冷板焊接工藝選擇

某有源相控陣雷達線陣冷板除了有嚴苛的散熱要求外，還對結構的剛強度以及流道的流阻提出了要求。因此為了防止冷卻介質在流動過程中在各流道間串擾以及在一定的水壓下冷板出現(xiàn)鼓包等現(xiàn)象，要求將各槽道之間的肋片焊實。并且為了降低流阻，保證流量，焊接過程中需盡量保證流道不變形，無其他異物堵塞流道。這些要求無疑給焊接增加了很大的難度。

就目前的焊接工藝而言，適用于這種底板+蓋板結構形式的焊接方式有氮氣保護釬焊、真空爐釬焊以及擴散焊。氮氣保護釬焊成熟度高，相對于真空爐釬焊，具有效率高、成本低的優(yōu)點，所以在這兩種釬焊方式中優(yōu)先選擇氮氣保護釬焊。與擴散焊相比，氮氣保護釬焊的優(yōu)點是焊接工藝成熟，成本較低，缺點是焊縫強度較低（60～70 MPa），可能存在一定的釬料堵塞風險。擴散焊工藝的優(yōu)點是焊縫強度高，不易堵塞，缺點是焊后焊縫質量不易檢驗，批量焊縫的焊接質量一致性難以保證。氮氣保護釬焊的焊縫強度遠小于擴散焊的焊縫強度，很有可能在一些力學環(huán)境下出現(xiàn)焊縫開裂等現(xiàn)象。為此，可以通過力學仿真探究氮氣保護釬焊的焊縫強度是否滿足要求。將線陣冷板裝入該天線陣面，對整個陣面進行靜載工況、沖擊響應和耐久隨機振動的力學仿真分析，求得各種工況下該線陣冷板的最大應力，結果見表1。

表1 冷板各工況下的最大應力

由表1可知，在耐久隨機振動工況下，線陣冷板所受的最大應力為35.520 MPa，相比于焊縫強度，其安全裕度為2，滿足線陣冷板的使用需求。對于氮氣保護釬焊工藝的釬料堵塞風險，可通過嚴格的工藝過程控制及焊后對冷板流量進行檢測來控制和釋放風險。對于擴散焊，目前并沒有一種直觀有效的焊透率檢測方式，焊縫質量難以評估。所以對于該小通道矩形流道冷板，最終選用氮氣保護釬焊來實現(xiàn)冷板的焊接成形，結構拆分形式選圖3中的方式1。

2.3 氮氣保護釬焊工藝路線與注意事項

氮氣保護釬焊是在氮氣的氛圍下對焊接件加熱，使釬料融化，母材不熔化，從而使液態(tài)釬料在母材表面潤濕、鋪展，與母材相互溶解和擴散，最終實現(xiàn)焊接件的緊密連接。該小通道冷板毛坯件的氮氣保護釬焊的工藝流程為：清洗零部件及焊料→按照焊縫形狀裁制焊片→按要求裝配成型→工件裝配入爐，采用氮氣保護釬焊焊接→零件出爐，淬火→焊后清洗→去焊疤、修焊縫→固溶時效處理→校平零件。在整個工藝流程中，釬焊環(huán)節(jié)為重中之重。在此過程中，需嚴格控制焊接溫度及釬焊爐中的含氧量和露點（一般含氧量應控制在0.000 5%以內(nèi)，露點控制在?40°C以下）[6]，從而得到良好的焊縫質量。此外，還應該嚴格控制焊料的鋪設量，避免焊料過多堵塞流道或焊料過少影響結構強度。要得到該小通道冷板成品，還需對該焊接毛坯件進行進一步的機加工成型。

3 焊后檢測及結果

小通道矩形流道冷板焊后精加工完成后，需要對氮氣保護釬焊的焊縫質量進行檢驗，從而判斷該冷板是否合格。

3.1 焊后檢驗方式

（1）冷板密封性以及強度檢測。往流道內(nèi)施加1.5 MPa的水壓，在此水壓下保持15 min，觀察冷板有無漏液以及冷板流道兩側有無鼓包，從而判斷冷板的密封性和強度。

（2）冷板流量檢測。冷板流道兩端在0.025 MPa壓差下保證流量≥30 L/h，可以間接評判流道的堵塞情況。

（3）CT成像。CT成像是目前應用較廣泛和深入的無損檢測技術之一[7]。通過CT成像可直觀地評判釬焊冷板的焊透率及流道的堵塞情況。

3.2 檢驗結果

該小通道矩形流道冷板在1.5 MPa的水壓下保持15 min，無漏液狀況，流道兩側也無鼓包，證明密封性和強度均合格；冷板流道兩端在0.025 MPa壓差下的流量≥30 L/h，證明流道并無明顯的堵塞情況；在該批冷板中選擇4根進行CT成像檢測，焊縫纖著率分別為90%，92%，95%，93%，均滿足85%的纖著率要求。其中CT成像檢測位置以及第4根冷板的檢測結果分別如圖4和圖5所示。圖5中箭頭位置為未釬滿較為嚴重的區(qū)域。

圖4 冷板CT成像檢測位置

圖5 冷板CT成像檢測結果

4 結束語

本文介紹的線陣冷板最終選擇矩形截面小通道作為其流道形狀，滿足了該有源相控陣雷達T/R組件的散熱需求，并得到了批量生產(chǎn)。如果T/R組件的熱流密度進一步加大，則矩形小通道將不再滿足其散熱需求，矩形微通道勢在必行。面對更窄更深的微通道，高速銑、焊接等傳統(tǒng)加工成型方式將不再滿足需求，增材制造等一些新型、前沿的成型方式將逐漸成為主流。如何推動這些新型制造工藝技術在微通道線陣冷板上的應用將是今后研究的重點。