微通道及導熱柱結構對LTCC微波組件散熱性能影響研究.pdf

1、低溫共燒陶瓷（Low Temperature Co-fired Ceramic）具備低成本、高電阻率、低介電常數(shù)、可埋置無源器件以及與硅匹配的熱膨脹系數(shù)等優(yōu)越特性，廣泛應用于高密度混合集成與微波射頻的微波組件中。但是，LTCC微波組件的高度集成、功率密度的不斷提高，使復雜工作環(huán)境下LTCC微波組件的熱問題愈加明顯，嚴重影響了LTCC微波組件的可靠性。在LTCC微波組件中采用微通道及導熱柱結構，調控其結構參數(shù)能夠改善LTCC微波組件的散熱

2、問題。本文結合相關科研項目工程應用所需，以某新型LTCC微波組件為研究對象，研究了微通道及導熱柱結構參數(shù)對LTCC微波組件散熱性能的影響，主要研究內容和結論如下：
　?。?）針對微通道及導熱柱結構散熱機理進行了研究，確定了影響LTCC微波組件散熱性能的主要結構參數(shù)和流體冷卻方式。采用ANSYS有限元軟件建立了LTCC微波組件有限元分析模型，進行了熱-流耦合仿真分析。對流體四種不同進出口位置的布局方式Z型、I型、C型及L型進行了仿真

3、優(yōu)選分析。仿真結果表明，LTCC微波組件的整體溫度分布均勻，最高溫度出現(xiàn)在功率芯片上，微通道內的流體溫度最低。對流體不同進出口布局方式的優(yōu)選分析結果表明I型方式中LTCC微波組件功率芯片結溫最低，為50.24℃；C型方式最高，為55.70℃；I型方式中流體進出口壓強損失最小，為41.79KPa；Z型方式最大，為102.75KPa，即I型方式較優(yōu)。
　?。?）采用正交試驗設計方法針對微通道及導熱柱結構參數(shù)設計了6因素4水平的正交試驗

4、方案，根據(jù)試驗方案進行了仿真分析，以LTCC微波組件功率芯片結溫為響應結果，并對結果進行了數(shù)據(jù)有效性分析與極差分析。結果表明在一定范圍內，結構參數(shù)對LTCC微波組件散熱性能影響的程度依次是：導熱柱直徑>導熱柱個數(shù)>出水口與進水口半徑>微通道截面寬度>微通道截面高度>導熱柱高度。
　?。?）采用基于JMP的逐步回歸分析方法擬合得到了微通道及導熱柱結構參數(shù)與LTCC微波組件散熱性能數(shù)學關系模型，并對擬合的數(shù)學關系模型進行了評價分析與驗

5、證分析。分析結果數(shù)據(jù)表明，關系模型的擬合度高，顯著性較強，初步描述了結構參數(shù)與LTCC微波組件散熱性能的函數(shù)映射關系。
　?。?）利用遺傳算法對微通道及導熱柱結構參數(shù)與LTCC散熱性能數(shù)學關系模型進行了優(yōu)化研究。得到的最優(yōu)結構參數(shù)為：導熱柱直徑選用189μm；導熱柱高度選用508μm；導熱柱個數(shù)選用8個；微通道截面寬度選用0.716mm；微通道截面高度選用508μm；進水口與出水口半徑選用1.047mm。優(yōu)化后得到的LTCC微波組