某组合式冷板的结构设计及制造工艺

2021-04-15李汉林谭公礼

舰船电子对抗 2021年1期

李汉林，谭公礼，陈君

(中国船舶重工集团公司第七二三研究所，江苏扬州 225101)

0 引言

有源相控阵雷达因其能实现多目标处理、波束控制灵活、信号处理方便、可靠性高等特点而被广泛应用于各领域。有源相控阵面的核心组成为收发组件(TR组件)和天线阵列[1]。随着阵面向高集成度、高功率密度、高频率等方向发展，天线阵列间距与冷板厚度之间的矛盾日渐凸显。低频率阵面通常采用柔性电缆或过渡层解决这一矛盾，但在高频率阵面上，过长的柔性电缆或过渡层的损耗会对雷达性能产生致命影响，只能将TR组件与天线阵列用短硬线连接。

相关分析报告指出，TR组件的失效55%是由温度引起的[1]，有效的TR组件温控显得尤为重要。为解决高热流密度TR组件散热问题，国内科研人员对微通道冷板流道截面形状、流道结构形式等[2-3]展开了研究，取得了很大进展，但由于制造工艺等因素的局限，目前实际工程应用的微通道冷板极少；常规流道(流道直径毫米级)冷板依旧是主流的散热方式。

1 设计思路及难点分析

中低频段有源相控阵面通常采用“刀片式”、“瓦片式”集成模块。因其天线单元间距相对较大，组件热流密度相对较低，TR组件等有源器件利用紧固件安装在冷板表面，采用导热硅脂、铟片等降低有源器件与冷板间的接触热阻就能获得良好的散热效果；且射频链路对电缆传输损耗的容忍度相对较高，组件通过电缆或过渡层与天线单元连接就能保证其电性能。

区别于中低频段阵面，高频段阵面结构设计有如下特点：组件热流密度相对较大且热源集中；天线单元与组件需采用低损耗连接形式；冷板较薄，结构稳定性较差。

组件与冷板间的接触热阻是影响散热的重要因素之一，钎焊较导热硅脂、铟片更能填充满组件与冷板之间的间隙，降低界面热阻。如将组件直接钎焊在冷板表面，将明显减小接触热阻，提高散热效率，且节省出来的组件壳体空间可用于提升冷板结构稳定性。

高频段有源相控阵面对射频链路极为敏感，如采用电缆、过渡层等方案，传输损耗可能将主信号消耗完，导致阵面无法使用。如将天线单元与组件直接烧结在一起，其传输损耗将大大降低。

受限于天线单元间距，高频段有源相控阵面可利用的用于布置冷板的空间很小，单冷板形式结构强度、刚度不能满足环境适应性要求，可考虑将相邻冷板组合设计，提高结构稳定性。

基于上述思考，本文针对某高频率、高热流密度有源相控阵面，提出了一种新型的组合式冷板结构。将TR组件封装在冷板内，天线单元安装在冷板端面，经玻璃绝缘子与TR组件硬连接。如此，冷板不再只是支撑散热件，而是一个机、电、液高度融合的产品。相较于常规冷板，其主要技术难点在于：

(1) 冷板主体(TR组件焊接位置)位置厚度很薄，仅为3 mm左右，为保证TR组件安装及焊接，没有可用空间进行加强，刚度很差；

(2) 天线阵列间距很小，最小的盲插水接头外径为11.5 mm，远大于天线间距；没有足够的空间合理布置水接头；

(3) 组件芯片热流密度较大，且正反面连续布置，可利用的冷板厚度仅为3 mm，布置流道的空间很小；

(4) 冷板作为封装件，组件烧结在冷板表面，如冷板出现耐压鼓包等现象，损失很大；冷板可靠性要求很高；

(5) 冷板输出端口绝缘子安装孔的相对位置精度需控制在0.02 mm之内；组件安装面间平行度控制在0.02 mm之内；冷板精度要求很高。

2 结构设计

针对上述技术难点，本文从两个方面提出了解决方案：一是将2块冷板有机地结合在一起，充分利用2块冷板的厚度进行结构布局；二是利用拓扑优化手段优化流道结构，提高冷板换热能力。

2.1 结构形式

如图1、图2所示，冷板组合拆分为大、小2块独立的冷板；大冷板承载小冷板，大冷板利用2块冷板的厚度布置助拔装置及对外安装螺钉，保证插拔顺利及安装强度；2块冷板水接头位置相互嵌套，错位布置，保证有足够的空间布置水接头；2块冷板利用定位销定位，螺钉紧固，提高冷板组合整体强度。

图1 组合式冷板外形图

图2 组合式冷板拆分图

作为实际项目使用的冷板，流道换热能力只是考核的一个部分，其工艺实现、加工难易程度、可靠性、环境适应性也需同步重点考虑。

大、小冷板热源分布一致，以小冷板为例，如图3所示，小冷板正反面焊接TR组件芯片，冷板总散热量为300 W，单面表面最大热流密度为130 W/cm2，且正反面热源重叠，重叠部分的热流密度大于130 W/cm2。

图3 上冷板正反面热源分布

本冷板可用于布置流道的壁厚仅为3 mm，根据以往冷板设计经验，两边先预留1 mm安全壁厚，故流道可用高度仅1 mm。虽然流道的宽度越窄，流道内的蒸腾作用越显著，换热性能越好，但过窄的流道会增大冷板流阻、制造难度及成本上升、可靠性降低。

经多轮拓扑优化，本冷板选择流道宽度为0.5 mm，冷板流道如图4所示，进出水口设置静压腔，保证冷却液流动均匀；受限于布置空间，流道主体串联局部并联，提高均温性；流道口采用鱼鳍形式，降低流阻。

图4 流道外形图

2.2 数值模拟

采用FloEFD软件对冷板组合进行热仿真，在通40 ℃冷却液条件下，如图5所示，冷板表面最高温度为68 ℃，满足组件安装表面温控要求；最低温度为63 ℃，最高、最低温差为5 ℃，满足均温性要求。

图5 表面温度云图

采用Ansys Workbench软件对流道进行1.6 MPa耐压仿真，如图6所示，冷板内部流道最大应力为30 MPa，满足流道耐压要求。

图6 流道内应力分布

采用Ansys Workbench软件对冷板进行冲击仿真，100 g当量冲击下集成模块最大位移为0.56 mm，最大应力为154 MPa；满足机械性能要求。

图7 冲击仿真结果

2.3 工艺实现

目前，冷板流道成型主要有以下2种焊接方法[4]：

(1) 钎焊：采用比母材熔点低的金属材料作为钎料，将焊件和钎料加热到高于钎料熔点，低于母材融化温度，利用液态钎料润湿母材，填充接头间隙并与母材相互扩散形成连接。

(2) 扩散焊：将焊件紧密贴合，在一定温度和压力下保持一段时间，使接触面之间的原子相互扩散形成连接。

本文中冷板内部流道为小微通道，如果采用钎焊，钎料熔化时极有可能形成堵塞；由于扩散焊没有钎料，不会形成堵塞，故本冷板选用扩散焊完成流道焊接。

焊接前，用同批次铝材制造试棒及试件，进行焊接性能测试，固化焊接参数及焊接环境；冷板毛坯焊接完成后，对其进行耐压、流量、流阻、X光检测，检验合格后方能转入下一道工序。

为保证冷板组合玻璃绝缘子位置及组件焊接面精度，加工时先将上、下冷板毛坯用定位销进行定位，组合在一起加工大体外轮廓；完成后拆分开，利用定位销孔为加工基准，精加工下冷板上表面和上冷板下表面。加工完成后将上、下冷板再次组合在一起，精加工外表面。利用“组合—分离—组合”的加工步骤，保证上、下冷板绝缘子等重要特征的位置精度。为保证冷板质量，以下几点需特别注意：

(1) 采用热处理、慢进刀、多次精加工方式去除焊接、加工应力；

(2) 加工水接头安装孔时，用专用工装保护流道，禁止加工金属屑进入流道；

(3) 加工绝缘子安装孔时，建议在孔加工完成后空跑刀，通过放大镜观察内部情况，必要时用镊子等辅助工具精细去毛刺。