APG导热性分析及在雷达中的应用研究

陈怡心 苏力争 王克军 刘继鹏 祝起凡

(西安电子工程研究所 西安 710100)

0 引言

随着有源相控阵雷达“高度集成化”和“模块化”新设计理念的应用以及数字发射/接收组件的进一步发展，尤其是近几年大功率微波器件的研制成功对微波组件壳体的小尺寸和散热能力要求越趋苛刻，热问题逐渐成为高功率组件首先要解决的关键技术之一，直接影响到微波功率组件的可靠性和寿命[1]，采用高效热扩展技术是解决雷达散热问题的关键技术途径[2-3]，而现有热扩展技术材料在传热性能以及重量方面有一定局限性，迫切需要开展新型高效热扩展材料研究。

1 常用导热材料性能分析

功率器件在工作时有相当一部分电能转化为热能使自身的温度升高，为保障器件安全可靠运行，通常为器件采用强制风冷、水冷、热管等散热措施。这些散热措施有效缓解功率器件过热问题的同时，无疑也加大了设备的体积、质量、制造难度和成本[4]。而采用复合高导热材料来散热，可有效解决这些问题。高导热材料是热导率在 200 W/(m·K)以上的材料，目前，常用典型的导热材料有铜、铝和石墨等[5]，其主要性能及指标如表1所示。

表1 常用导热材料性能及指标

退火态热解石墨(Annealed Pyrolytic Graphite，简称：APG)是热解石墨(Pyrolytic Graphite，简称：PG)在一定的预应力下经高温热处理得到的一种微观结构接近石墨晶体的各向异性超高导热材料，石墨片层方向(a向)的热导率达到1500W/(m·K)以上，约是铜合金的四倍、铝合金的六倍；垂直方向(c向)的热导率约为10～20W/(m·K)。APG是比较理想的适合于工程应用的高导热材料，当前，国内APG材料在散热方面的技术研究尚处于起步阶段，缺乏准确的热导率等相关参数，为此，本文采用试验与仿真相结合的方式，对APG材料的导热性及在雷达信处板中的散热效果进行了定量分析。

2 APG材料导热性能分析

2.1 导热性能试验

2.1.1 试验平台搭建

为了定量分析APG的导热性能，本文进行了导热性能试验。导热性能试验采用相同的安装方式、相同的加热功率电阻、相同的导热界面材料(导热硅脂)、相同尺寸大小、相同位置的测试点去分别测试APG板、铜板、铝合金板在25W下的导热性能。

2.1.2 试验内容介绍

先将加热电阻安装于试验样件中心部位，并在试验样件上布置11个热电偶测试点，如图1所示，图1(a)展示了正面的测试点104、105、107、112、113、114点，图1(b)展示了反面的测试点103、108、109、110、111点，使用稳压电源对功率电阻通电加热，将功率加到25W，采用Agilent BenchLink Data Logger3软件记录数据(每10s采集一次数据)。

图1 试验测试点分布示意图和试验仪器实物图

2.2 实验结果与分析

在室温24℃，功率25W条件下，分别对APG板、铜板及铝合金板在自然散热方式下进行试验和分析，得到APG板、铜板和铝合金板各测试点温度变化情况以及温度对比情况，如图2所示。

图2 三种基板温度变化曲线图和温度对比图

从图2中可以看出，在环境温度为24℃时的自然散热条件下，热耗功率为25W达到稳态时，APG板上各测试点的温差比铜板和铝合金板的各测试点的温差要小很多，区别十分明显，表明APG板的均温性很好。而且，在达到稳态后，APG板上测试点的最高温度为66.9℃，铜板上测试点的最高温度为85.5℃，铝合金板上测试点的最高温度为92.6℃，因此，APG板不仅均温性非常好，而且其最高温度也远低于铜板和铝合金板。

2.3 热仿真分析

2.3.1 仿真模型建立

本文在试验之后，通过Flotherm软件仿真分析了APG板、铜板、铝合金板在自然散热方式下的散热效果，并通过与试验数据进行对比，验证仿真模型的准确性。首先利用Flotherm软件建立仿真几何模型，该仿真模型与实验模型一致，从上至下依次为功率器件、导热硅脂、试验基板(APG板、铜板、铝合金板)。

2.3.2 网格划分、边界条件设置

采用Flotherm软件提供的网格划分工具对建立的仿真几何模型进行网格划分，确定了最终网格划分结构。环境温度设定为24℃，模型几何尺寸为200mm×100mm×2mm，由于APG为各向异性的导热材料，初步设定APG的热导率参数为X-Y向导热系数1500W/(m·K)，厚度Z方向导热系数10W/(m·K)，将仿真结果与试验数据进行对比，通过迭代修改APG的热导率参数，直到仿真结果与试验数据基本一致为止。

2.3.3 仿真结果分析

通过Flotherm软件仿真分析，得到APG板、铜板、铝合金板在25W自然散热下的仿真分析数据，对数据进行后处理，并将试验得到的稳态数据与仿真得到的稳态数据进行对比后，得到图3曲线。

图3 试验与仿真对比图和温度云图

从图3(a)、图3(b)、图3(c)中可以看出，APG板、铜板、铝合金板的仿真数据与实验数据基本吻合，测试点107和113由于胶带遇热松动等试验误差与仿真结果有所差异，但都在误差可控范围内，通过仿真结果可知，当APG导热系数设定为X-Y向1700W/(m·K)，厚度Z方向为10W/(m·K)时，仿真结果与试验结果基本一致，具有较高的吻合度。

图3(d)、图3(e)、图3(f)为仿真结果的温度云图，APG板的温度云图区间为62.6℃～72.9℃，铜板的温度云图区间为64.5℃～90℃，铝合金板的温度云图区间为49.9℃～91.7℃，可见APG板的散热能力比铜板和铝合金板的散热能力更好。

3 APG在雷达模块中的应用研究

在自然散热电子设备中，铝合金是当前常用的散热材料。研究表明，金属和石墨材料组合的热扩散能力可充分发挥石墨优良的导热性能[6]。本文通过Flotherm软件仿真分析了铝合金信处板和APG/铝合金信处板一体化构件两者之间在25W自然散热方式下的差异。环境温度设定为24℃，信处板材料为6061铝合金，信处冷板大小为240.9mm×149.23mm×9mm，APG的热导率参数设置为X-Y向导热系数1700W/(m·K)；厚度Z方向导热系数10W/(m·K)，APG厚度为2mm。图4为APG/铝合金信处板一体化构件仿真模型，共有7个热源，每个热源上功耗如图所示。铝合金信处冷板仿真模型的正面无APG，背面与APG/铝合金信处板一体化构件完全相同。

图4 APG/铝合金信处板一体化构件仿真模型

对两种散热结构的计算仿真模型进行网格划分，并且在各热源中心位置及其板对面的相对位置各设置一个温度监测点，共计14个温度监测点，标记为101～114，两种结构的监测点布局完全相同。

图5为仿真分析得到的在25W功率下铝合金信处冷板和APG/铝合金信处冷板一体化构件的温度时间曲线图。

图5 信处板温度时间曲线和稳态温度对比图及温度云图

从图5(a)、图5(b)、图5(c)中可以看出，加了APG的信处板比不加APG的信处板均温性更好，而且最高点的温度低了近4℃。

图5(d)、图5(e)温度云图可以看出，APG/铝合金信处板一体化构件的散热能力比铝合金信处板的散热能力更好。

从仿真数据分析可知，在采用APG增强换热之后，信处板表面温度下降近4℃，同时对比各监控点的温度差值可知，铝合金信处板散热结构温度最高测试点(测点114)与温度最低测试点(测点107)的温差为10℃，APG/铝合金信处板一体化构件的温差仅为0.85℃，温差减小近90%，可见，APG对结构导热具有很好的改善作用，其均温性更好。

4 结束语

本文采用试验测试和仿真分析相结合的方法对APG材料的高导热性能进行了验证研究，同时还对APG/铝合金信处板一体化构件进行了仿真分析。通过仿真分析表明，在导热结构表面增加APG材料后，由于APG材料的超高导热率，可使自然散热情况下铝合金信处板的导热性能得到大大改善，其均温性更好，而且APG材料密度小，重量轻，能有效减轻结构重量，为解决雷达存在的散热问题提供了一种新思路和新途径。