某组合式冷板的结构设计及制造工艺
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
)摘要：针对某相控阵面天线单元间距小㊁T R 组件与天线单元硬线连接㊁T R 组件热流密度高的特点,
array工艺详解提出了一种组合式冷板的解决方案㊂将两块冷板有机组合在一起，解决了上述结构特点引起的单块冷板壁厚薄㊁刚度差㊁水接头安装困难等问题；单块冷板内部采用小截面流道增加换热系数，解决了高热流密度T R 组件散热问题㊂还就组合式冷板内部流道成型㊁外形加工等加工工艺进行了阐述㊂
关键词：组合式冷板；小截面流道；高热流密度；制造工艺中图分类号:T H 16        文献标识码:B        文章编号:C N 32-1413(2021)01-0112-04
D O I :10.16426/j .c n k i .j
c d z d k .2021.01.023S t r u c t u r e D e s i g n a n d M a n u f a c t u r i n g T e c h n o l o g y o
f A C e r t a i n C o m b i n e d C o l d P l a t e
L I H a n -l i n ,T A N G o n g
-l i ,C H E N J u n (T h e 723I n s t i t u t e o f C S I C ,Y a n g
z h o u 225101,C h i n a )A b s t r a c t :I n v i e w o f t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f a p h a s e d a r r a y a n t e n n a :s m a l l s p a c i n g o
f t h e a n t e n n a u n i t s ,T R m o d u l e c o n n e c t e d t o t h e a n t e n n a u n i t s b y h a r d -w i r e ,h i
g
h h e a t f l u x d e n s
i t y o
f t h e T R m o d u l e ,t h i s p a p e r p r o p o s e s a s o l u t i o n s c h e m e b y u s i n
g a c
e r t a i n c o m b i n e d c o l d p l a t e ,c o m b i n e s t w o c o l d p l a t e s t o s o l v e t h e p r o b l e
m o
f t h e s i n
g l e c o l d p l a t e c a u s e d b y t
h e a b o v e s t r u c t u r e c h a r a c t e r i s t i c s ,s u c h a s t h e t h i n c o o l i n g w a l l ,p o o r s t i f f n e s s ,d i f f i c u l t i n s t a l l a t i o n o f t h e w a t e r j
o i n t ,e t c .,a n d i n s i d e t h e s i n g l e c o l d p l a t e ,s m a l l -s i z e f l o w c h a n n e l i s a d o p t e d t o i n c r e a s e h e a t t r a n s f e r c o e f f i c i e n t ,w h i c h s o l v e s t h e h e a t d i s s i p a t i o n p r o b l e m o f T R m o d u l e w i t h h i g h h e a t f l u x d e n s i t y
.T h i s p a p e r a l s o d e s c r i b e s t h e p r o c e s s i n g t e c h n o l o g y o
f c o m b i n e d c o l d p l a t e s u c h a s i n t e r n a l f l o w c h a n n e l f o r m i n
g a n d s
h a p e p r o c e s s
i n g
,e t c ..K e y w o r d s :c o m b i n e d c o l d p l a t e ;s m a l l -s i z e f l o w c h a n n e l ;h i g h h e a t f l u x d e n s i t y ;m a n u f a c t u r i n g t e c h n o l o g y
收稿日期:20200512
0 引 言
有源相控阵雷达因其能实现多目标处理㊁波束
控制灵活㊁信号处理方便㊁可靠性高等特点而被广泛应用于各领域㊂有源相控阵面的核心组成为收发组
件(T R 组件)
和天线阵列[1
]㊂随着阵面向高集成度㊁高功率密度㊁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㊂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T R 组件与天线阵列用短
硬线连接㊂
相关分析报告指出,T R 组件的失效55%是由
温度引起的[1]
，有效的T R 组件温控显得尤为重要㊂
为解决高热流密度T R 组件散热问题,
国内科研人员对微通道冷板流道截面形状㊁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
2021年2月舰船电子对抗
F e b .2021
第44卷第1期
S H I P B O A R D E L E C T R O N I C C O U N T E R M E A S U R E
V o l .44N o .1
规流道(流道直径毫米级)冷板依旧是主流的散热方式㊂
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 ㊁ 瓦片式 集成模块㊂因其天线单元间距相对较大，组件热流密度相对较低,T R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㊁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㊂
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㊂
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㊁铟片更能填充满组件与冷板之间的间隙，降低界面热阻㊂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㊂
高频段有源相控阵面对射频链路极为敏感，如采用电缆㊁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㊂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㊂
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㊁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㊂
基于上述思考，本文针对某高频率㊁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㊂将T R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T R组件硬连接㊂如此，冷板不再只是支撑散热件，而是一个机㊁电㊁液高度融合的产品㊂相较于常规冷板，其主要技术难点在于:
(1)冷板主体(T R组件焊接位置)位置厚度很薄，仅为3mm左右，为保证T R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11.5mm，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3mm，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0.02mm之内；组件安装面间平行度控制在0.02mm之内；冷板精度要求很高㊂
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㊂2.1结构形式
如图1㊁图2所示，冷板组合拆分为大㊁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
㊂
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㊁加工难易程度㊁可靠性㊁环境适应性也需同步重点考虑㊂
大㊁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T R组件芯片，冷板总散热量为300W，单面表面最大热流密度为130W/ c m2，且正反面热源重叠，重叠部分的热流密度大于
311
第1期李汉林等：某组合式冷板的结构设计及制造工艺
130W /c m 2
㊂
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3mm ，根
据以往冷板设计经验，两边先预留1mm 安全壁厚,
故流道可用高度仅1mm ㊂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㊁制造难度及成本上升㊁可靠性降低㊂
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
㊂
图4 流道外形图
2.2 数值模拟
采用F l o E F D 软件对冷板组合进行热仿真,
在通40ħ冷却液条件下，如图5所示，冷板表面最高温度为68ħ,
满足组件安装表面温控要求；最低温度为63ħ,
最高㊁最低温差为5ħ，满足均温性要求㊂
图5 表面温度云图
采用A n s y
s W o r k b e n c h 软件对流道进行1.6M P a 耐压仿真，如图6所示，冷板内部流道最大应力为30M P a
，满足流道耐压要求
㊂图6 流道内应力分布
采用A n s y
s W o r k b e n c h 软件对冷板进行冲击仿真,100g 当量冲击下集成模块最大位移为
0.56mm ，最大应力为154M P a
；满足机械性能要求
㊂
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㊂
(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㊂
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㊂
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㊁流量㊁流阻㊁X 光检测，检验合格后方能转入下一道工序㊂
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㊁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㊂加工完成后将上㊁下冷板再次组合在一起，精加工外表面㊂利用 组合 分离 组合 的
4
11舰船电子对抗  第44卷
加工步骤，保证上㊁下冷板绝缘子等重要特征的位置精度㊂为保证冷板质量，以下几点需特别注意:
(1
)采用热处理㊁慢进刀㊁多次精加工方式去除焊接㊁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㊂
3 实物验证
图8为加工完成的冷板组合外形图，经测量，冷
板外形尺寸符合设计要求
㊂
图8 集成冷板外形图
对冷板进行1.6M P a 氮气冲压,
放入水中静置15m i n
，如图9所示，水内没有气泡涌出，经测量冷板表面平面度保压前后无明显变化，流道耐压符合
设计要求
㊂
图9 保压试验结果
如图10所示,
搭建专用的测试系统对冷板换热性能进行验证
㊂
图10 测试平台
经测试，如图11所示，冷板表面温度为
67.4ħ㊂通过进出口温差计算,
得出冷却液带走的热量与所加热负载匹配，表明冷板换热满足要求
㊂
图11 热测试结果
如图12所示，在C N C 投影仪下放大倍数,
逐个检查绝缘子安装孔㊂可以看出，绝缘子内无毛刺㊁翻边等现象，加工精度满足绝缘子封装要求
㊂
图12 绝缘子安装孔
4 结束语
随着有源相控阵面向小型化㊁高集成度方向发
展，冷板在满足其散热功能的基础上，更多地向机㊁电㊁液一体化设计方向发展㊂本文采用合理的结构形式，通过工艺摸索，成功研制出符合要求的冷板，目前该型冷板已应用于实际项目㊂本文中冷板的结构形式㊁流道优化手段㊁工艺探讨等对高频有源相控
阵面结构设计有一定的指导意义㊂参考文献
[1] 唐宝富，钟剑锋，顾叶青.有源相控阵雷达天线结构设计[M ].西安：西安电子科技大学出版社,2016.
[2] 束瑛.微通道冷板导热性能优化设计[J ].电子机械工程.2009,25(2):811.
[3] 谭慧,
陈加进，吴龙文，等.多热源相控阵天线微通道冷板拓扑结构设计[J ].电子科技大学学报.2019,48(1
),150155.
[4] 王猛,
刘卫刚，赵冬竹.微通道冷板的加工工艺及散热性能研究[J ].电子机械工程.2017,33(5),4346.
5
11第1期
李汉林等：某组合式冷板的结构设计及制造工艺

版权声明：本站内容均来自互联网，仅供演示用，请勿用于商业和其他非法用途。如果侵犯了您的权益请与我们联系QQ:729038198，我们将在24小时内删除。