CN111125923B

CN111125923B - 基于有源相控阵天线散热的微流道散热器设计方法

Info

Publication number: CN111125923B
Application number: CN201911395623.2A
Authority: CN
Inventors: 董刚; 董婷妮; 杨银堂
Original assignee: Xidian University
Current assignee: Xidian University
Priority date: 2019-12-30
Filing date: 2019-12-30
Publication date: 2022-09-06
Anticipated expiration: 2039-12-30
Also published as: CN111125923A

Abstract

本发明公开了一种基于有源相控阵天线散热的微流道散热器的设计方法，包括以下步骤：根据有源相控阵天线的工作频点、功放单元的结构和功率，确定功放单元的位置分布，将微流道散热器的设计和LTCC工艺要求结合，确定流道位置D_f，流道厚度H_f和流道宽度W_f，得出不同结构的微流道模型；将不同结构的微流道模型和微流泵进行联合仿真，确定最佳的微流道模型；对最佳的微流道模型进行优化，确定散热层流道和调整层流道结构；添加金属通孔并进行散热仿真，然后对添加的金属通孔进行优化，直至满足芯片的散热要求。本发明得到的微流道散热器具有良好的散热性和均温性，可满足高热密度有源相控阵天线的散热需求。

Description

基于有源相控阵天线散热的微流道散热器设计方法

技术领域

本发明属于微流道散热技术领域，具体涉及一种基于有源相控阵天线散热的微流道散热器设计方法，可应用于提高微电子产品的散热性和热源面均匀性。

背景技术

微流道散热器采用水冷的方式，利用流体流过内嵌在基板内、发热芯片下方的微流道，将芯片的热量传递到基板外界，通过外界的热交换系统进行散热从而达到降低发热芯片温度的目的。

随着微电子和半导体技术的快速发展，集成电路芯片的集成度也在不断增加，这也导致芯片产生高热流密度。热流密度的急剧增加将会严重威胁电子设备的工作可靠性。随着单位体积内热流量的增大，会导致芯片过热从而引发一系列问题。温度过高会使得芯片的性能下降、工作寿命降低；温度过高也加快了器件的老化速度，使得芯片寿命降低；温度过高也会引起部分器件烧毁，芯片之间互连线断裂；芯片表面温度分布不均匀则会使得封装体温度分布不均匀进而产生封装体发生翘曲等问题。高热流密度问题目前已成为了限制集成电路发展的瓶颈。并且高热流密度散热问题已不仅仅局限于集成电路领域，在军事、航空、航天领域也开始受到高热流密度散热问题的困扰，因此，对于电子器件散热技术的研究变得越来越重要。

传统的散热技术多采用强迫风冷的方法。但是强迫风冷针对高热密度芯片的散热效果较差，除此之外风冷技术还存在通道接口设计困难、选材困难、占据空间大等问题。

例如，2015年，西安电子科技大学，毕波在其发表的名称为“基于LTCC的微流道结构设计和优化”的硕士论文中，公布了一种基于LTCC的微流道结构设计和优化方法，该方法在单层微流道的基础上提出了两种改进散热效率和温度分布均匀性的方案，建立了双层结构微流道和嵌铜结构微流道模型，并对这两种结构微流道在不同入口处水的流速、不同芯片功率下的不同结构微流道的基板温度分布、流道内流体的速度分布和压强分布进行了仿真分析，对改进后的微流道的总体性能进行了评估，相较于改进前的单层微流道结构，基板温升显著降低，散热性能增强。但是，该方法中的热源热流密度很小，仅为2W/cm²，该方法设计得到的微流道散热器无法满足高热密度芯片的散热需求。

例如，2015年，西安电子科技大学，汪路在其发表的名称为“有源相控阵天线微通道散热器优化设计与制造缺陷的反演分析”的硕士论文中，公布了一种有源相控阵天线微通道散热器的优化设计方法，该方法设计了一种针对毫米波有源相控阵天线的阶梯形微通道散热器结构，建立了微通道阶梯尺寸与通道流量之间的数学关系式，并通过关系式计算得到合适的阶梯形尺寸值，实现通道流量分布均匀，提高了有源相控阵天线阵面温度均匀性。但是，该方法中每个热源功率为0.9W，热流密度为56.25W/cm²，该方法所设计的微流道散热器仍无法满足高热密度芯片的散热需求。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术存在的不足，提供了一种基于有源相控阵天线散热的微流道散热器的设计方法，以提高高热密度的有源相控阵天线散热效果和均温性，使其能够正常工作。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种基于有源相控阵天线散热的微流道散热器的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

根据有源相控阵天线的工作频点、功放单元的结构和功率，确定功放单元的位置分布；

根据功放单元的结构和位置分布，确定热源和微流道结构；

根据微流道散热器的设计和LTCC工艺要求，确定流道位置D_f，流道厚度H_f和流道宽度W_f，得出不同结构的微流道模型；

将不同结构的微流道模型导入Icepak中，并在Icepak中添加风扇(fan)模型和热源模型，并在风扇(fan)模型中添加微流泵的P-Q曲线；

将不同结构的微流道模型、风扇(fan)模型和热源模型进行网格划分，并确定边界条件；

将步骤4)中不同结构的微流道模型进行仿真，确定最佳的微流道模型；

对最佳的微流道模型进行优化，确定散热层流道和调整层流道结构；

对优化后的微流道模型添加金属通孔，进行散热仿真，判断是否符合微流道散热器设计的散热要求，若不符合，执行步骤9)，若符合，则结束工作；

对添加的金属通孔进行优化，利用Icepak建立金属通孔的等效热阻模型，然后对微流道和热阻模型进行仿真，判断是否符合微流道散热器设计的散热要求，若不符合，执行步骤8)，若符合，则结束工作。

上述权利要求中，步骤1)中，所述的工作频点表示为f，入射波长λ＝c/f，其中，功放单元之间的间距为λ/2。

上述权利要求中，步骤2)中，所述的微流道模型为直排型、螺旋型和蛇型微流道结构。

上述权利要求中，步骤3)中，所述的流道位置D_f≥0.4mm，流道厚度H_f≥0.1mm，和流道宽度W_f<0.9mm。

上述权利要求中，步骤5)中，所述的边界条件包括基板材料，冷却液材料，热源功率和环境温度，其中，基板材料选用低温共烧陶瓷(LTCC)材料。

上述权利要求中，步骤6)中，所述的微流道模型为直排型微流道结构。

上述权利要求中，步骤7)中，所述的优化后的调整层流道结构为一分四的弧形拐角结构，其中，拐角内径为4mm，拐角外径为4.7mm。

本发明与现有的技术相比具有以下优点：

1、本发明针对不同结构的微流道模型进行仿真，确定最佳的微流道模型，对最佳的微流道模型进行优化，确定散热层流道和调整层流道结构，然后将不同拐角半径和不同金属通孔结构的实验组合进行对比分析，得到最终的微流道散热器，克服了现有技术中无法满足高热流密度芯片散热需求的技术问题，该方法设计所得的微流道散热器，针对热密度为100W/cm²的芯片，能够达到温差不超过10℃，最高温度不超过50℃的散热效果，具有良好的散热性和均温性。

2、本发明中对最佳的微流道模型进行优化，确定散热层流道和调整层流道结构。本发明中将传统的调整层流道改为一分四的弧形拐角结构，克服了直角拐角结构压损较大导致的与微流泵匹配流速低，散热效果差的技术问题，提高了散热效果。

3、本发明中采用在金属通孔之间添加金属涂层的方法，对添加的金属通孔进行优化，并在Icepak中通过金属通孔的结构和热导率，建立金属通孔和金属层的等效热阻模型，克服了现有技术中热源面温差较大和金属铜柱建模复杂的技术问题，提高了热源的温度均匀性。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为本发明的微流道散热器结构图；

图3为本发明的微流道散热器中金属通孔和金属金涂层的位置分布图；

图4为本发明中螺旋型、蛇型、直排型流道结构与微流泵的P-Q曲线图；

图5为本发明中不同拐角结构的微流道与直排型微流道的P-Q曲线图；

图6为本发明中微流道散热器添加金属通孔后的热源温度云图；

图7为本发明中微流道散热器添加的金属通孔优化后的热源温度云图；

具体实施方式

以下结合具体附图对本发明做进一步详细的描述

实施例1

参照图1、图2和图3

根据功放单元的结构和位置分布，确定热源和微流道结构；

本发明根据热传导，热对流理论以及工艺测试结果，确定流道位置，流道厚度和流道宽度。

传导热阻按下式计算：

其中k为热导率，A_chip为芯片与热阻的接触面积，D_f为流道位置，即流道层和芯片器件层之间的距离，则流道顶部与热源芯片间距越小，传导热阻越小，越有利于散热，但间距太小则容易造成变形，工艺测量结果表示，流道顶层和热源层的最小距离为0.4mm。因此本发明中将流道位置D_f确定为0.4mm。

热对流传递热量按下式计算：

Q_conv＝h_f(W_f·L_f)(T_s-T_f)

式中固体表面与流体通过热对流传递的热量为Q_conv，W_f代表流道宽度，L_f代表流道长度，(T_s-T_f)代表两者的温差。其中，冷却液传递的热量与流道宽度成正比，随着流道宽度的增大传递热量也会增多进而散热效果增强。现有的工艺条件表明，当流道宽度大于0.8mm时，流道会坍塌变形，本发明中流道宽度W_f为0.7mm。

本发明中流道厚度决定了流道压强，流道厚度越大则流道压强越小，则能与微流泵匹配到更高的流速从而增大散热效果，但流道厚度过大也会导致流体分散从而减弱散热效果，本发明中流道厚度H_f优选为0.4mm。

本发明中，根据微流泵的P-Q曲线，将在步骤2)中确定的几种不同的微流道结构与微流泵进行联合仿真，经过仿真后判断这几种微流道结构的P-Q曲线与微流泵的P-Q曲线是否存在交点，存在交点说明该微流泵可适用于该微流道结构，如果多个流道结构均有交点，则对比分析微流道与微流泵进行联合散热后得到的热源温度分布图，选出散热效果最好的微流道结构。

传统的直排型流道将调整层流道和散热层流道放在散热层中，且采用直角拐角结构的设计，这导致流体在拐角处的压强过大，使得进出口的压降差过大从而导致匹配更低的流速，使得散热效果减弱。为降低流道拐角处的压强，将调整层和流道层分开，将调整层置于流道层下方，增大调整层厚度至0.6mm；同时将调整层流道结构由长方体变为一分四的结构，并且拐角结构采用弧形拐角的设计以降低压强来匹配更高的流速；将流道层入口和出口分别置于调整层的左流道出口和右流道入口，将两层流道连接，形成闭合腔体。

拐角局部压损按下式计算:

其中，ξ为局部阻力系数，ρ为流体密度，ν为流速。

其中，

α为调整层流道偏离散热流道的角度。

本发明中采用建立几组对比数据组的方法，设计出拐角半径分别为1.25mm，2mm，3mm，4mm，5mm和6mm这六组直排型拐角流道结构，随着拐角半径的增大，调整层流道偏离程度减弱。将传统直排型流道和这六种结构与微流泵联合仿真，并得出其P-Q曲线，从而确定最终拐角半径。

由于LTCC的导热系数很低，受到其导热性能的限制，散热能力很难通过优化结构继续提升，因此可以通过增加金属通孔，来提升流道的散热能力。根据金属通孔的工艺要求：金属通孔直径不能大于0.25mm,不能小于0.075mm；孔间距要求至少为孔径2倍。根据工艺要求，本发明中采用直径0.1mm的金属通孔，通孔横纵间距0.2mm，阵列排布。

本发明中，为了使热源有更好的均温性，采用添加金属层的方法，在生瓷片上采用丝网印刷工艺形成金属金涂层，然后打通孔阵列进行铜柱的填充，从而使得金属通孔的上层，底层和中间位置由金属金涂层连接的效果，进而提高横向热扩散和热源的温度均匀性。

本发明中在Icepak中建立金属通孔和金属层的等效热阻模型的方法如下：

(1)根据金属涂层的覆盖面积和金属通孔的高度计算出等效热阻的大小，因为金属涂层的面积为1.9mm×0.9mm，金属通孔高度为0.4mm，所以等效热阻为一个长1.9mm，宽0.9mm，高度为0.4mm的立方体；

(2)根据传导热阻公式计算出等效热阻的热导率，传导热阻计算公式如下：

其中k为热导率,A_chip为芯片与热阻的接触面积，D_f为流道层和芯片器件层之间的距离。其中铜柱的热导率为387.6W/(m·k)，单个铜柱的接触面积为0.0079mm²，一共五十个铜柱则接触面积为0.395mm²，铜柱高度为0.4mm，则等效计算得等效热阻的热导率为83.01W/(m·k)。

所述的工作频点表示为f，入射波长λ＝c/f，其中，功放单元之间的间距为λ/2。

当有源相控阵天线的工作频点f＝25GHz，单个功放单元功率为2W，呈4×4阵列分布时，入射波长λ＝c/f，则λ＝12mm。当阵列天线单元间距为入射波长λ的一半时，阵列具有高的方向性且没有栅瓣。故功放单元之间的间距为6mm，呈4×4阵列分布。

所述的微流道模型为直排型、螺旋型和蛇型微流道结构。

本发明中功放单元之间的间距为6mm，呈4×4阵列分布。常用的六种微流道结构为直排型，螺旋型、蛇型、曲线型、H型和树型结构，其中直排型，螺旋型和蛇型结构均适用于该热源分布情况。

所述的流道位置D_f≥0.4mm，流道厚度H_f≥0.1mm，和流道宽度W_f<0.9mm。

根据目前微流道基板的LTCC相关加工技术和微空腔对于基板性能的影响，在基板表面至少要留四层，四层以上不能开设微流道，否则在基板表面将贴片电阻当作热源时很容易造成基板表层塌陷，因此流道底层与热源距离应大于等于0.4mm，同时，现有的工艺条件表明，LTCC生瓷片的厚度至少为0.1mm，因此流道厚度应大于等于0.1mm，当流道宽度大于等于0.9mm时，流道会坍塌变形，因此流道宽度应小于0.9mm。

所述的边界条件包括基板材料，冷却液材料，热源功率和环境温度，其中，基板材料选用低温共烧陶瓷(LTCC)材料。

本发明中的基板材料选用LTCC材料，冷却液采用去离子水，热源热流密度为100W/cm²，在空气自然对流情况下，取周围空气的温度为25℃；流体出口处设置为压力出口条件。

所述的微流道模型为直排型微流道结构。

所述的优化后的调整层流道结构为一分四的弧形拐角结构，其中，拐角内径为4mm，拐角外径为4.7mm。

当拐角半径大于4mm时随着拐角弧度的增加，流道压降差没有显著的减小，因此最终弧形拐角处的内径确定为4mm，外径为4.7mm。

本发明中在CAD中建立微流道的模型，导出sat格式文件，通过ANSYS Workbench平台，使用Geometry接口将CAD模型导入到Icepak中。并在Icepak中添加风扇(fan)模型，在风扇(fan)模型中添加微流泵的P-Q曲线。

参照图4，图4为螺旋型、蛇型、直排型流道结构与微流泵的P-Q曲线图。

图4中，横坐标表示流道压降差，纵坐标表示冷却液入口流速。从图中可以看出，直排型结构微流道的P-Q曲线与微流泵的P-Q曲线存在交点，蛇型和螺旋型微流道的P-Q曲线与微流泵的P-Q曲线没有交点。说明蛇型和螺旋型微流道结构无法与泵匹配，该泵只能满足直排型微流道的压力要求。

参照图5，图5为不同拐角结构的微流道与直排型微流道的P-Q曲线图。

图中横坐标表示流道压降差，纵坐标表示冷却液入口流速。从图中可以看出，随着拐角半径的增加，微流道散热器与微流泵匹配的流速逐渐增大，当拐角半径大于4mm时，随着拐角半径的增加，流道压降差没有显著的减小，因此最终弧形拐角处的内径确定为4mm，外径为4.7mm。

以下结合微流道散热器的散热仿真图对本发明做进一步详细的描述：

图6为微流道散热器添加金属通孔后的热源温度云图。从图中可以看出，热源在有铜柱分布的区域温度较低，在没有铜柱分布处的温度较高，因此芯片表面温差较大。该结构下的热源温度最高温度达到了89℃，温升为42℃，这已经严重超出了芯片的温度限制，会影响芯片的使用。

图7为微流道散热器添加的金属通孔优化后的热源温度云图。从图中可以看出，冷却液出口处的芯片最高温度高于入口处的芯片，入口处的芯片温差高于出口处芯片，当芯片热密度为100W/cm²时，芯片表面的温度分布均匀，温差不超过10℃，最高温度不超过50℃，满足芯片的散热要求。

综上所述，本发明中针对有源相控阵天线散热的微流道散热器的设计方法，将LTCC工艺和传热理论以及仿真数据结合，将不同拐角半径和不同金属通孔结构的实验组合进行对比分析，得到最终的微流道散热器，其针对热密度为100W/cm²的芯片，能够达到温差不超过10℃，最高温度不超过50℃的散热效果，具有良好的散热性和均温性，可以应用于高热密度的有源相控阵天线，保证其性能和稳定性。

Claims

1.一种基于有源相控阵天线散热的微流道散热器的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)根据有源相控阵天线的工作频点、功放单元的结构和功率，确定功放单元的位置分布；

2)根据功放单元的结构和位置分布，确定热源和微流道结构；

3)根据微流道散热器的设计和LTCC工艺要求，确定流道位置D_f，流道厚度H_f和流道宽度W_f，得出不同结构的微流道模型；

4)将不同结构的微流道模型导入Icepak中，并在Icepak中添加风扇(fan)模型和热源模型，并在风扇(fan)模型中添加微流泵的P-Q曲线；

5)将不同结构的微流道模型、风扇(fan)模型和热源模型进行网格划分，并确定边界条件；

6)将步骤4)中不同结构的微流道模型进行仿真，确定最佳的微流道模型；

7)对最佳的微流道模型进行优化，确定散热层流道和调整层流道结构；

8)对优化后的微流道模型添加金属通孔，进行散热仿真，判断是否符合微流道散热器设计的散热要求，若不符合，执行步骤9)，若符合，则结束工作；

9)对添加的金属通孔进行优化，利用Icepak建立金属通孔的等效热阻模型，然后对微流道和热阻模型进行仿真，判断是否符合微流道散热器设计的散热要求，若不符合，执行步骤8)，若符合，则结束工作。

2.根据权利要求1 所述的基于有源相控阵天线散热的微流道散热器的设计方法，其特征在于，步骤1)中，所述的工作频点表示为f，入射波长

其中，功放单元之间的间距为λ/2。

3.根据权利要求1 所述的基于有源相控阵天线散热的微流道散热器的设计方法，其特征在于，步骤2)中，所述的微流道模型为直排型、螺旋型和蛇型微流道结构。

4.根据权利要求1 所述的基于有源相控阵天线散热的微流道散热器的设计方法，其特征在于，步骤3)中，所述的流道位置D_f≥0.4mm，流道厚度H_f≥0.1mm，和流道宽度W_f<0.9mm。

5.根据权利要求1 所述的基于有源相控阵天线散热的微流道散热器的设计方法，其特征在于，步骤5)中，所述的边界条件包括基板材料，冷却液材料，热源功率和环境温度，其中，基板材料选用低温共烧陶瓷(LTCC)材料。

6.根据权利要求1 所述的基于有源相控阵天线散热的微流道散热器的设计方法，其特征在于，步骤6)中，所述的微流道模型为直排型微流道结构。

7.根据权利要求1 所述的基于有源相控阵天线散热的微流道散热器的设计方法，其特征在于，步骤7)中，所述的优化后的调整层流道结构为一分四的弧形拐角结构，其中，拐角内径为4mm，拐角外径为4.7mm。