基于6SigmaET的固态功放模块的热设计*

何华卫，刘压军

(四川九洲电器集团有限责任公司， 四川 绵阳 621000)

基于6SigmaET的固态功放模块的热设计*

何华卫，刘压军

(四川九洲电器集团有限责任公司， 四川 绵阳 621000)

文中针对一种4通道Ku频段高功率功放模块进行了结构设计。通过理论分析确定了散热器的结构模型，重点提出了以均热板与散热器相结合的散热方式来提高功放模块内的温度均匀性和散热效率的方法，同时应用专业仿真软件6SigmaET进行了热仿真验证。结果表明，均热板的采用有效降低了功放芯片的温度，热设计过程合理，可为固态功放模块的散热设计提供参考。

固态功放模块；微通道均热板；6SigmaET

引 言

无线电通信技术的发展对通信距离和质量的要求日益提高，而功率放大器是系统的关键部件，其可靠性直接关系到整个通信系统的性能，因此高功率功放模块设计技术成为通信系统的关键研制技术[1-2]。近年来，在半导体技术发展的带动下，一种具有工作电压低、供电及控制电路简洁、可靠性高等优点的固态功率放大器成为研究热点，并逐渐被广泛应用于雷达、通信、电子对抗等领域[3]。

固态功放模块是热效应明显的电子系统，尤其是它为了达到更高的发射功率，通常采用多芯片功率合成的方式。由于合成效率较低，大量电能被转换成了热量，因而功放芯片节温急剧上升，使功放芯片使用寿命下降，甚至烧毁芯片[4]。要保证功放模块正常稳定地工作，就必须设计一种良好的散热系统。固态功放模块传统的散热方式是在功放模块上涂抹导热硅脂后贴装散热器，再通过风机强迫风冷散热。采用传统的散热方式能够满足通常情况下的使用要求，但在一些恶劣环境下，传统散热方式并不能达到预期的散热效果。

为了解决恶劣环境下的散热问题，提高功放模块的可靠性，本文以一种Ku频段固态功放模块为例，对其散热器进行了设计。针对功放芯片热量集中分布的特点，提出了以均热板与散热器相结合的散热方式来降低功放模块内温度的方法，并采用热仿真软件6SigmaET进行了热仿真分析，验证了热设计方案的可行性。

1 Ku频段固态功放模块结构设计

1.1 固态功放模块的结构

由于固态功放模块采用单芯片很难达到较高的输出功率，因此本文采用多芯片功率合成，考虑到合成效率和其他处理损耗，线性输出功率P1 dB= 40 W的Ku频段固态功放模块采用4个芯片功率合成，芯片等间

距布置，其结构如图1所示。功放模块由功放芯片、预放芯片、微通道均热板、铝合金散热器、轴流风机等构成。模块使用铝合金材料，内部采用成熟的双面多腔体结构，芯片与铝合金腔体之间设计有钼铜合金垫片，垫片与芯片底板的热膨胀系数相近，以免因热膨胀系数差异损坏芯片。模块尺寸为240 mm × 160 mm × 40 mm，总热功耗为220 W。

图1 固态功放模块发热点布局示意图

鉴于功放模块热流密度相对集中，为了提高模块内的温度均匀性，降低功放芯片的温度，在功放模块与散热器之间采用微通道均热板连接。均热板翅片与底板整体加工成型，这种结构的微通道散热器具有当量导热系数高、温度梯度小等优点，可减少接触热阻，大大提高散热效率。

1.2 热设计计算

根据以上对功放模块的散热结构设计形式及整体尺寸的限制，初步选择强迫风冷的散热形式，采用翅片式散热器，散热器及其翅片结构如图2和图3所示。

图2 散热器示意图

图3 散热器翅片截面图

根据固态功放模块的使用条件，要求功放模块在55 ℃环境温度下仍可正常工作，因此，取环境温度为55 ℃。假定散热器出口温度为70 ℃，即温差为15 ℃，则此时空气的定性温度为Tf= 0.5 × (55 + 75) = 62.5 ℃。根据相关资料，此温度下的空气物性参数为：空气密度ρ= 1.06 kg/m3，比热容Cp=1 006 J/(kg·℃)，导热系数λ= 0.029 2 W/(m·℃)，普朗特数Pt=0.695，动力粘度μ= 2.03 × 10-5Pa·s。可根据传热能量平衡方程计算得到所需空气流量[5]：

(1)

式中：Q为固态功放模块内的总发热量；ΔT为散热器出入口空气温差。经计算得到所需空气流量为Qf= 51.3 m3/h，考虑计算误差和风机的效率，对风机选型时需要留有余量，本文选用轴流风机的最大流量为65.1 m3/h。

根据图3中的散热器结构参数，可计算得到每个通道的当量直径为de=7.32 × 10-3m，而散热器的换热能力可由式(2)～式(7)计算得到。

每个通道的单位面积质量流速：

(2)

式中：N为散热器的通道数；Ac为每个通道的表面积。

每个通道的雷诺数：

(3)

考尔本数：

(4)

对流换热系数：

(5)

散热器为肋片式散热器，需要考虑效率问题。已知肋片厚δ= 2.5 mm，肋片高度h= 43 mm，总传热面积S= 0.497 m2，铝合金导热系数λa=167 W/(m·K)，则散热器的散热效率为：

(6)

Q′=ηhcSΔT

(7)

通过计算得到散热器可带走的热量为359 W ，大于功放模块的总发热量228 W，散热器可带走的热量大于功放模块的理论损耗功率，并留有一定余量，说明热设计方案是可行的。

2 热仿真分析

本文采用的热仿真软件为6SigmaET，它是由英国Future Facilities公司开发的新一代热分析工具，具有快速建模、智能化网格生成和自动简化模型等功能，可以解决器件级、板级、设备级、系统级的散热问题，且可以处理非常复杂的由第三方软件导入的模块。借助于6SigmaET软件的分析和优化结果，可以降低产品设计和研制成本，提高产品的性能可靠性，缩短产品研制和生产周期。

2.1 热分析模型的建立

在结构设计软件中建立的功放模型包含了许多对热仿真结果影响很小的细微结构，在将模型导入仿真软件前需要根据实际模型的复杂程度对模型进行简化。模块中的热源主要有功放芯片、预放芯片和电源组件3部分，均按实际尺寸大小模拟为均匀发热模块，其中，功放芯片的热耗为180W，预放芯片的热耗为8 W，电源组件的热耗为40 W。按结构设计方案设置各部分的材料属性，本文采用微通道均热板来提高功放模块的温度均匀性，但均热板不仅结构复杂而且还包含相变传热，仿真时无法真实模拟均热板的传热情况，因此将均热板模拟为均匀的导热体，其导热系数为2 000 W/(m·K)。

文中功放模块采用强迫风冷的散热方式，可忽略模块内的辐射传热，模块外部为开放环境，轴流风机靠近功放芯片一侧，初始环境温度为55 ℃，在仿真软件中建立的分析模型如图4所示。

图4 功放模块热分析模型

2.2 网格划分

6SigmaET采用全自动化和智能化的网格生成功能，缩短了设定时间并可保证生成最佳的网格分布，同时网格疏密可自定义，单个模型网格可单独定义。文中功放模型经简化后可以采用软件自动划分网格，同时控制散热器处的网格密度。网格生成后，应重点检查散热器流道内的网格数量是否足够，因在小间隙内流体流动状态变化较大，需要足够的网格数量来保证求解精度。网格划分如图5所示。

图5 功放模型的网格划分

2.3 仿真结果及分析

仿真软件计算结果通过可视化的温度云图来显示。图6为固态功放模块和微通道均热板的温度分布云图，从图6(a)可以看出，整个功放模块的最高温度为111 ℃，位于功放芯片上，微通道均热板的温差为5.4 ℃。由此可见，增加微通道均热板后，传热面的均匀性得到了有效提高。图7为功放芯片及其安装腔体的温度分布云图。从图7可以看出，功放芯片安装面的温度为82.3 ℃，低于功放芯片安装面最高温度为90 ℃这一使用要求，证明该热设计方案是合理的。

图6 固态功放模块和微通道均热板温度分布云图

图7 功放芯片及其安装腔体温度分布云图

3 结束语

本文通过理论计算为一种固态功放模块进行了散热方案设计，针对多路合成功放模块具有高热流密度和热量集中的特点，选用微通道均热板来连接腔体与散热器，有利于减小热阻和提高腔体的温度均匀性，从而提高散热效率。同时，采用6SigmaET软件对所设计的功放模块进行了热仿真分析。理论计算与仿真结果均表明，该固态功放模块可以满足高温环境的使用要求。

[1] BUNDZINSK I D. Some aspects of design of pulse and CW L-band power microwave amplifier[C]// IEEE MIKON 2006: 29th International Conference on Microwave. San Francisco, USA. 2006.

[2] 赵中义. L波段LDMOS微波宽带功率放大器的研制[D]. 西安: 西安电子科技大学, 2009.

[3] 敦书波, 刘俭成, 魏利郝. UHF宽带固态功率放大器的设计与实现[J]. 无线电工程, 2007, 37(5): 57-58.

[4] 邱成悌, 赵悖殳, 蒋全兴. 电子设备结构设计原理[M]. 南京: 东南大学出版社, 2005.

[5] 余建祖. 电子设备热设计及分析技术[M]. 北京: 高等教育出版社, 2002.

何华卫(1980-)，男，工程师，主要从事电子设备结构设计及仿真工作。

刘压军(1987-)，男，硕士，主要从事电子设备结构与热力学研究工作。

Thermal Design of Solid-state Power Amplifier Based on 6SigmaET

HE Hua-wei，LIU Ya-jun

(SichuanJiuzhouElectricGroupCo.,Ltd.,Mianyang621000,China)

The structure design of a 4-channel power amplifier at Ku frequency band is studied. The structure model of the heat sink is determined through theoretical analysis. The heat dissipation method of improving the temperature uniformity and heat dissipation efficiency of the power amplifier is put forward. At the same time the thermal simulation is carried out by the simulation software 6SigmaET. The results show that the temperature of the power amplifier chip is effectively reduced. The rationality of the thermal design is thus verified. This can be used as a reference for the thermal design of the solid-state power amplifier.

solid-state power amplifier; micro-channel heat spreader; 6SigmaET

2016-01-29

TN722.7+5；TK124

A

1008-5300(2016)04-0020-03