一種高均勻度均溫板系統設計及測試

熱設計 2023-07-19

來源：技術專欄 Technical Column

作者：董德勝，曹勇，劉海靜，孫成愷，王國防，倪俊，靳兆峰

摘要：文章通過技術攻關成功研制了耐高壓高均勻度的均溫板，耐受壓力高于 5.6 MPa。設計了試驗測試系統，開展了均溫板熱擴散性能和熱響應性測試。熱擴散性能測試試驗結果顯示，研制的均溫板試件具有顯著的熱擴散效果，測試時試件整體溫差不大于 1 ℃。熱響應性能試驗結果顯示，均溫板對熱源功率變化具有近乎同步響應特征，表現出了良好的熱響應特征。耐高壓均溫板的研制實現了被動控溫手段解決高熱流密度難題的目標。

關鍵詞：均溫板高熱流密度熱擴散

引言

隨著芯片、電子元件技術的快速迭代和性能提升，關鍵元器件、部組件功率大大增加。一般來說 , 散熱功率較大的有源功率器件，如：RF 晶體管和 MMIC 芯片等，其散熱面積相比散熱基板散熱面積小得多，其控溫呈現點狀高熱流密度特征。對于點狀高熱流密度問題，常規的控溫手段已難以應用，已成為產業應用和產品發展必須解決的問題之一。

高熱流密度問題的本質是熱量在小的局部區域內持續生成，常規控溫手段在小的局部區域內的熱量排散速率遠低于熱源發熱速率，熱量在小的局部區域形成堆積，導致該區域的溫度短時間內急劇升高。均溫板技術是基于真空腔均熱技術（Vapor Chamber）發展的一類熱量均散技術，能夠實現高密度熱流的快速擴散，有效降低局部熱流密度，將高熱流密度控溫難題轉化為常規控溫問題，或將較高復雜程度的高熱流密度問題轉化為能夠實現的控溫問題。均溫板的結構和工作原理如圖 1 所示，其結構主要包括：結構殼體、毛細結構及工作介質。

目前關于均溫板的研究多集中在以水、丙酮、乙醇等低飽和氣壓為工質的均溫板研究，受工作溫度范圍、介質熱傳輸效率、殼體與介質兼容性、不凝性氣體敏感性等問題限制，這些均溫板難以應用于高熱流密度控溫領域。

本文選用鋁氨組合基于真空腔原理研制了一種可應用于空間環境的耐壓型均溫板，為空間高熱流密度控溫難題提供了一種可靠高效的被動控溫方案。

耐高壓均溫板研發

常規均溫板采用低飽和氣壓介質，內部腔體一般為僅靠邊緣支撐的腔體或設置少數支撐柱的腔體；常規均溫板整體尺寸較小（一般不大于 100 mm×100 mm），內部介質流動路徑較短，多采取燒結毛細芯作為吸液芯。相比于低壓介質，氨的飽和壓力要高的多，如表 1 所示，在 60 ℃時氨的飽和壓力為水飽和壓力的 130 多倍，因此設計的均溫板腔體必須具備良好的承壓能力。考慮到型號應用，本文研制的均溫板尺寸為 200 mm×200 mm，內部介質流動路徑相對較長，沿程阻力損失相對較大，其內部毛細芯需要提供較大的毛細力和較小的阻力損失。

圖 1 均溫板原理

本文基于 Workbench 平臺采用有限元分析技術對不同結構和參數的模型進行力學性能仿真，分析過程選用適應性較好的非結構網格離散化模型，如圖 2 所示。均溫板總體上采用多點支撐結構，承壓后最大變形量控制在 0.1 mm 以內，仿真過程分析了不同支撐柱形狀、支撐柱尺寸、支撐柱分布、槽道弱化等因素對應力和變形的影響，設計的目標是在滿足結構強度、熱擴散能力、變形量等指標的同時支撐柱數量、支撐柱體積、整體重量、厚度最小。分析結果發現，相對于方形支撐柱采用圓形支撐柱最大應力明顯減小；四周邊框尺寸對最大應力和應變影響較大，邊框厚度要達到支撐柱直徑的 1.5 倍左右；開槽可增大局部應力，基板厚度需要根據槽道形狀、尺寸和密度進行調整。

圖 2 典型的均溫板模型有限元分析離散化模型

均溫板結構在滿足力學性能要求的同時，還需要滿足熱學性能要求。本文基于 FloEFD 平臺和經驗關聯公式分析了均溫板溫度分布和熱阻構成，如圖 3 所示。根據分析，元器件自身熱阻（R0）、元器件與均溫板之間的熱阻（R1）、殼體導熱熱阻（R2）及均溫板內部蒸發換熱熱阻（R3）為熱量自發熱元件擴散至均溫板過程中的主要熱阻，R0、R1 是升高元器件溫度的主要熱阻，R2、R3 是影響均溫板均溫性的主要熱阻。

圖 3 模型溫度分布仿真和熱阻構成分析

耐高壓均溫板性能測試

2.1 測試方案

均溫板性能測試系統主要由恒溫水槽、鋁氨熱管、高溫加熱片、大功率電源、數據采集器等組成。均溫板樣機尺寸為 200 mm× 200 mm，耐壓能力優于 5.6 MPa。高溫加熱片產生的高密熱流，經研制的均溫板擴散后成為常規密度的熱流，然后由常規的鋁氨熱管傳輸至冷板。該過程體現了采用被動控溫手段嘗試解決高密度熱流熱控難題。高溫加熱片模擬高功率發熱元件，為避免燒毀加熱元件應在元件表面粘貼測點；冷板模擬空間熱沉。高溫加熱片、均溫板、鋁氨熱管及冷板之間填充界面材料降低接觸熱阻。鋁氨熱管規格為矩形 37.4×19.1 雙孔熱管，理論最大傳熱能力達 1 100 W。

2.2 高熱流密度測試

測試時熱源置于均溫板端角處，理論上該處為均溫板傳熱能力最不利位置，當熱源處于其它區域時相同工況下應具有更佳的均溫性，測點在試件表面的分布如圖 4 所示，均溫板試件的上下側面均布置有測溫點。測試過程采用逐步提升加熱功率的方法測試不同熱流密度下均溫板試件的熱擴散性能。測試結果如圖 5 所示，不同熱流密度對應的加熱功率和均溫板表面溫差如表 2 所示。

圖 4 測點分布圖

圖 5 均溫板樣品耐受熱流密度

根據圖 5，隨著加熱功率和熱流密度的增大均溫板表面溫度、熱源溫度及均溫板表面溫差均隨之升高。當熱流密度為 34.3 W/cm² ，加熱功率為 107.7 W 時均溫板試件表面最大溫差僅為 0.25 ℃；當熱流密度超過 34.3 W/cm²至本試驗熱源能夠提供的最大熱流密度 57.7 W/cm² ，均溫板整體完全能夠保持良好的均溫性，整體溫差不超過 1 ℃，表現出來極強的熱擴散效果。受熱源加熱能力限制，研制的均溫板試件極限熱擴散能力無法測出。就目前衛星型號關鍵設備、元器件的極端熱流密度而言，本次測試的熱流密度范圍應該能夠覆蓋絕大部分衛星型號關鍵設備、元器件的熱流密度范圍，本文研制的均溫板完全有希望能夠解決更高熱流密度的問題。常規鋁氨熱管的最大耐受熱流密度約為 3 W/cm²，因此本文研制的均溫板耐受熱流密度能力達到常規熱管耐受熱流密度能力的 20 倍以上。

在測試過程中高溫加熱片產生的高密度熱經過均溫板、鋁氨熱管傳遞至冷板，實現了采用被動控溫手段解決高熱流密度控溫難題，本文研制的均溫板為實現這一目標的關鍵器件。

2.2 高熱流密度測試

為了測試均溫板各測點對熱源功率及開啟情況的響應，對均溫板開展了熱響應測試，測試在圖 3 所示的試驗系統內開展，熱源及測點布置與熱流密度測試相同。測試過程通過開啟、關閉電源和連續調節熱源功率模擬熱源工況變化，測試熱流密度范圍為：（0.5 ～ 45）W/cm²，測試結果如圖 6 所示。

根據圖 6，均溫板表面溫度和加熱片表面溫度隨熱源功率變化具有近乎同步的熱響應效果，均溫板試件表面溫度測點對熱源功率變化的響應滯后不大于 8 s，由此說明研制的均溫板其內部介質具有極快的傳熱速度，因此表現出高效熱擴散功能。在熱響應過程中，各測點溫差如圖 7 所示，由圖可知均溫板表面溫差在整個測試過程中保持在 1 ℃以內。由此可見，研制的均溫板在變工況或瞬態傳熱過程中仍具有良好的均溫性。