CN105243226B

CN105243226B - Ltcc材料微通道制造要素的反演优化方法

Info

Publication number: CN105243226B
Application number: CN201510725269.0A
Authority: CN
Inventors: 黄进; 汪路; 李鹏; 周金柱; 王朝斌
Original assignee: Xidian University
Current assignee: Xidian University
Priority date: 2015-10-30
Filing date: 2015-10-30
Publication date: 2018-09-28
Anticipated expiration: 2035-10-30
Also published as: CN105243226A

Abstract

本发明属于微通道散热技术领域，具体提供了一种LTCC材料微通道制造要素的反演优化方法，主要通过APAA阵面部分点的温度分布，反演获得微通道变形大小和LTCC微通道的制造要素，为更好的加工微通道提供了参考。其过程包括已知阵面温度分布，通过优化过程，反演获得微通道变形大小；在通过已建立的数学模型，由微通道变形大小计算获得微通道制造要素。本发明可以为改善微通道的散热能力提供参考，在适当的微通道制造要素下，加工制造出阵面温度更加均匀的微通道。

Description

LTCC材料微通道制造要素的反演优化方法

技术领域

本发明属于微通道散热技术领域，具体是一种LTCC材料微通道制造要素的反演优化方法。

背景技术

有源相控阵天线(APAA)用于发射和接收信号，广泛应用于航天航空事业中。APAA中的射频模块集成了天线阵面、馈电网络、TR组件等功能模块，以及散热微通道，是通信、导航、雷达等电子系统的基础和核心。射频模块的液冷微通道分布于TR电路层和功分网络层下。

LTCC(低温共烧陶瓷)是一种将印有互联导体、元件和电路的流延陶瓷材料叠层在一起而制成多层电路，并烧结成一个集成式多层陶瓷的材料，由于其具有良好的化学、物理性能和综合机电性能，APAA采用LTCC材料作为射频电路介质。但是在LTCC材料层压过程中，主要承受机械能和热能的作用，这将导致微通道变形，影响冷却液的流动，从而使微通道散热效果不好。所以不合适的制造要素将导致微通道变形过大，极大的影响微通道散热效果。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术中存在的缺点，通过APAA阵面温度分布情况，反演获得微通道变形大小和微通道制造要素。

本发明的技术方案是：LTCC材料微通道制造要素的反演优化方法，包括如下步骤：

步骤1：首先制备生瓷片，对生瓷片进行切片、打孔，然后进行叠层层压，加工出LTCC材料的微通道实验样件，由于在层压过程中会造成通道上下表面的变形，设主通道上下表面的变形量分别为H_a，H_b，主通道高度为H；用M_H来代表微通道变形量，则M_H表达式如下，

通过显微设备测得实验微通道的主通道的上下表面的变形量H_a、H_b与总通道高度H，通过热成像仪测得阵面分布的每个辐射单元中心的温度值

步骤2：通过每个辐射单元中心的表面温度值以及设微通道变形量M_H的值为x，仿真得到APAA阵面相应点的温度分别为t₁,t₂...t_n，则设

当T取最小值时，仿真温度点的值与实验测的温度点值最接近，此时x的值即为反演得到的微通道变形量；

步骤3：在不同的层压压力下，通过有限元软件仿真得到不同的微通道变形量，通过数据处理软件对这些数据进行拟合，建立从微通道变形量到层压压力的数学模型，这样步骤2获得的微通道变形量通过数学模型计算得到层压压力。

上述步骤2中所述的微通道变形量为x仿真得到APAA阵面相应点的温度分别为t₁,t₂...t_n，该仿真过程是：首先在proe中建立微通道变形的模型，在ICEM中进行网格划分，在CFX中建立求解得到APAA阵面相应点的温度分别为t₁,t₂...t_n。

上述步骤3中所述的有限元软件是有限元仿真软件ANSYS。

上述步骤3中所述的数据处理软件为matlab.

本发明的有益效果：通过本发明方法，可以从APAA阵面温度来获得微通道变形量大小和微通道制造要素，然后通过改变微通道制造要素，改善微通道的散热效果。

附图说明

图1本发明的步骤流程图；

图2微通道的内部结构图；

图3微通道的外部结构图；

图4微通道通道变形形式；

图5APAA阵面8个测温点的分布；

图6M_H为0.2时的阵面温度云图；

图7M_H的优化过程迭代图；

图8 T的优化过程迭代图；

图9M_H为0.53时的阵面温度云图；

图10M_H为0.43时的阵面温度云图。

附图标记说明：1、入口主通道；2、出口主通道；3、矩形通道；4、热源；5、LTCC材料；6、铜块。

具体实施方式

在加工微通道的过程中，微通道会产生变形，影响冷却液的流动，从而使有源相控阵天线(APAA)散热效果不好。本发明可以通过APAA阵面温度，反演得到通道变形量及微通道制造要素，为加工制造散热性能良好的微通道提供了参考。参见图1，本发明提供了一种LTCC材料微通道制造要素的反演优化方法，包括如下步骤：

步骤1(1)：根据LTCC制备技术工艺，首先制备生瓷片，对生瓷片进行切片、打孔，然后进行叠层层压，加工出LTCC材料的微通道实验样件，由于在层压过程中会造成通道上下表面的变形，设主通道上下表面的变形量分别为H_a，H_b，主通道高度为H；用M_H来代表微通道变形量，则M_H表达式如下，

当T取最小值时，仿真温度点的值与实验测的温度点值最接近，此时x的值即为反演得到的微通道变形量；T值用来衡量阵面均匀性，值越小，温度均匀性越好。

具体仿真过程：首先在proe中建立微通道变形的模型，在ICEM中进行网格划分，在CFX中建立求解得到APAA阵面相应点的温度分别为t₁,t₂...t_n。

步骤3：在不同的层压压力下，通过有限元软件仿真得到不同的微通道变形量，通过数据处理软件对这些数据进行拟合，建立从微通道变形量到层压压力的数学模型，这样步骤2获得的微通道变形量通过数学模型计算得到层压压力；其中有限元软件选用限元仿真软件ANSYS，数据处理软件使用matlab。

本发明通过已知的层压压力到微通道变形的实验数据，建立数学模型，通过获得的微通道变形大小可以计算得到层压压力；在将反演获得的层压压力与实验的层压压力做对比，验证反演方法的正确性。对微通道的散热效果进行改善，使阵面温度均匀性更好，此时通过阵面温度反演获得通道变形M_H，在通过数学模型可计算改善后的层压压力P。

以下是本发明的具体实现过程及效果：

1.微通道的实验结果

参照图1、图2、图3所示，图1为本发明的步骤流程图；图2为微通道的内部结构图，图3为微通道外部结构图。微通道由LTCC材料5加工而成，整个微通道尺寸为长度为46mm，宽度为44mm，高度为3mm，微通道上表面分布着52个T/R组件，做为发热热源4，热源与流道之间通过铜块6连接，增强导热。微通道内部流道由入口主通道1、出口主通道2和8个矩形通道3构成，冷却液通过一端的接口进入主通道，填满主通道后进入矩形通道，最后从另一端的接口流出，通过液体的流动带走热量从而达到散热的作用。其中每个矩形通道的长度为40.5mm，宽度为1mm，深度为0.6mm，入口主通道和出口主通道长度为42mm，宽度为2.2mm,深度为0.8mm。

步骤1(1)参照图4所示为加工制造微通道过程中通道的变形形式，通道由于

受到加工过程中层压压力的影响通道上下发生变形，其中

M_H用来表示变形量的大小，微通道制作过程采用等静压层压，层压机为NIKKISO温水等静压机。下表一为实验的层压压力下的微通道变形大小：

工况	1	2	3	4
					实验数据(Mpa)	10	15	18	20
M_H	0.33	0.54	0.62	0.79

步骤1(2)当微通道变形M_H为0.54时，冷却液为去离子水，入口流量为0.5L/min，入口水温为293K，热源的热流密度为56.25W/cm²，测得APAA阵面参照图5所示点的温度，各点温度值如下表二所示：

单位：K

当微通道变形M_H为0.54时，由表二可得实验阵面温度均匀性T₀为38.4K²。

2.建立从APAA阵面温度到微通道变形和微通道制造要素的反演过程

步骤2如表3所示，阵面8个点的温度值即为实验的温度值：

该反演过程是通过优化方法实现的，优化过程如下所示：

步骤2(1)通过优化软件Isight集成平台调用三维建模软件Pro/Engineer，划分网格软件ICEMCFD，流动分析数值模拟软件CFX，并利用Pro/Engineer软件建立存在通道变形的微通道模型；利用ICEMCFD软件对微通道模型进行网格划分；

步骤2(2)利用CFX软件求解微通道模型如图5所示8个点的温度t₁,t₂...t₈及相应的

步骤2(3)初始情况下，令通道变形量M_H为0.2，利用Pro/Engineer软件建立存在通道变形的微通道模型，利用Isight软件将Pro/Engineer软件建立的微通道模型传递给ICEMCFD软件；

步骤2(4)利用ICEMCFD软件对2(1.c)中Pro/Engineer软件建立的微通道模型进行网格划分，并将得到的结果文件通过Isight软件传递给CFX软件；

步骤2(5)利用CFX软件求解2(1.d)微通道模型8个点的温度t₁,t₂...t₈，阵面温度云图参照图6所示，然后通过CFX软件计算得到初始条件下的T＝1421；

步骤2(6)采用霍克基维斯优化算法，利用Isight软件对Pro/Engineer软件建立的微通道模型变形量M_H重新取值然后重复2(1.c)至2(1.e)，使T的值减小，直到相邻两次得到的T的差的绝对值小于10^-6时，优化停止。优化过程迭代图分别如图7、9所示。最后T取0.03242时，M_H的值为0.53，阵面温度云图参照图9所示

所以，通过上述优化方法，从APAA阵面温度可以获得微通道变形的大小，反演的准确率为98％。

步骤3建立从微通道变形到微通道制造要素的数学模型

通过ANSYS仿真可得，当压力P(单位：MPa)取如下值时，变形M_H(位：mm)如表三所示：

变形M_H	0.4084	0.5293	0.6092	0.7281	1.0000
						压力P	10	13	15	18	20

利用matlab软件对上表数据进行处理，建立数学模型为：

P＝20.07sin(1.412M_H-0.015)

然后利用实验数据验证所建立的数学模型，验证结果如表四所示：

由以上结果可得，由数学模型计算的结果和实验结果基本吻合。

当第一步反演的微通道变形量M_H为0.53时，由数学模型计算可得13.4342Mpa。

所以，本发明提出的反演方法准确率为89.56％，这种方法在只知道阵面温度分布的情况下，能有效的反演出微通道的变形大小和制造要素。

通过改善后的阵面温度分布情况反演微通道变形大小和微通道制造要素。改善后的阵面8个点的温度分布如下表所示：

由上表可得阵面温度均匀性T为25K²。

重复步骤2，通过上述优化方法，从APAA阵面温度可以获得微通道变形的大小M_H为0.43，阵面温度云图参照图10所示。

利用步骤3的数学模型：

P＝20.07sin(1.412M_H-0.015)

计算可得，当M_H为0.43时，所需的层压压力为11.2022Mpa。

综上所述，通过本方法，可以从APAA阵面温度来获得微通道变形量大小和微通道制造要素，然后通过改变微通道制造要素，改善微通道的散热效果。

本实施方式中没有详细叙述的部分属本行业的公知的常用手段，这里不一一叙述。以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。

Claims

1.LTCC材料微通道制造要素的反演优化方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤2：通过每个辐射单元中心的温度值以及设微通道变形量M_H的值为x，仿真得到APAA阵面相应点的温度分别为t₁,t₂...t_n，则设

2.如权利要求1所述的LTCC材料微通道制造要素的反演优化方法，其特征在于，其中步骤2中所述的微通道变形量为x仿真得到APAA阵面相应点的温度分别为t₁,t₂...t_n，该仿真过程是：首先在proe中建立微通道变形的模型，在ICEM中进行网格划分，在CFX中建立求解得到APAA阵面相应点的温度分别为t₁,t₂...t_n。

3.如权利要求1所述的LTCC材料微通道制造要素的反演优化方法，其特征在于，其中步骤3中所述的有限元软件是有限元仿真软件ANSYS。

4.如权利要求1所述的LTCC材料微通道制造要素的反演优化方法，其特征在于，其中步骤3中所述的数据处理软件为matlab。