遙感器焦面電路熱設計改進的模擬試驗

連新昊 王偉奇 黃巧林 徐娜娜

（北京空間機電研究所，北京 100076）

1 引言

空間光學遙感器為航天遙感衛星的主要有效載荷，當遙感器在軌工作時，內部電子設備產生一定的熱量，成為遙感器的內熱源，其中焦面電路是重要內熱源之一[1-2]。隨著遙感器設計指標的不斷提高，焦面電路設計中采用了越來越多的高速器件，這些高速器件工作時消耗大量電能，并轉化為熱能。這部分熱量若不及時排散出去，會引起電子元器件的溫升，從而對電子元器件壽命、可靠性產生不利影響。有研究表明，超過55%的電子設備的失效形式是由溫度過高引起的[3]，單個半導體元件的溫度在70℃～80℃水平上每升高1℃，系統的可靠性將降低5%[4]，因此電子器件的熱可靠性設計在電子器件發展中具有舉足輕重的作用。

為提高遙感器工作的可靠性，需對其焦面電路進行有效的熱設計，并進行驗證。驗證的方法主要是仿真分析與試驗，有關熱仿真分析的公開報道的文獻較多[5]，這里不再一一贅述。熱試驗是航天電子產品研制的一項重要內容，但同時航天產品又有造價高、交付周期短、產品質量管理嚴格等特點，沒有條件利用正式產品反復進行熱設計驗證工作。本文針對此矛盾，提出了利用模擬試驗方法進行熱設計驗證的思路。在模擬熱試驗過程中發現的了原熱設計不足之處，提出了具體改進措施，并再次進行了試驗研究，驗證了改進措施的有效性。

2 傳統熱設計及試驗驗證

某遙感器焦面電路有CCD電路、驅動電路兩塊電路板組成，兩塊電路板上均布置有一定數量的電子元器件，電子元器件的功耗、數量、外形尺寸等參數詳見表1，兩塊電路板尺寸均為：190mm長、110mm寬、2mm厚。出于對電性能的考慮，電子學工程師在進行電路設計時，把驅動電路板上的C器件、E器件布置在電路板正、反兩面，D器件布置在電路板正面；CCD電路上的A器件布置在電路板正面，B器件布置在正、反兩面，見圖1。

表1 某遙感器焦面電路電子元器件參數表Tab.1 Parameter information of electronic components

圖1 焦面電路電子元器件分布圖Fig.1 Component distribution on focal plane PCB

2.1 傳統熱設計

按照航天電子產品熱設計的一般原則[6]，焦面電路熱設計的基本思路是建立從發熱器件至電路盒殼體之間的低熱阻傳熱路徑。在本案例中，兩塊電路板的正、反兩面上均有發熱器件，特別是在夾在兩塊電路板之間的器件，即CCD電路板的反面與驅動電路板的正面之間，詳見圖1（b）、（c）。這些器件的散熱問題是熱設計成敗的關鍵。

具體的熱設計為：通過一塊散熱板將圖1（b）、（c）所示器件的熱量導至電路盒殼體。散熱板采用導熱系數較高且密度較輕的鋁合金材料制成，在發熱器件對應的散熱板位置上加工出凸臺結構，器件的熱量通過凸臺導至散熱板，進而通過散熱板導至電路盒殼體。在與電路板平行的電路盒殼體的內表面上加工出凸臺（見圖2），用于CCD電路板反面和驅動電路板正面器件的散熱。所有器件與凸臺的安裝面有需要有TIM填充[7]，TIM材料選用彈性導熱硅橡膠墊[8]。選用彈性硅橡膠墊主要有兩個作用：1）作為TIM材料起增強導熱作用；2）緩沖由于振動、熱應力造成的對電子元器件的沖擊。

通過以上設計，各器件的主要傳熱路徑詳見表2：

表2 各器件主要傳熱路徑表Tab.2 Main thermal conduction paths of components

圖2 驅動電路盒內部散熱設計及試驗實物圖Fig.2 Thermal design and photos of driving circuit box

2.2 試驗驗證

為了驗證熱設計的有效性，進行了模擬試驗。從表1中可看到，CCD電路板平均熱流密度284W/m2，而驅動電路板由于器件多、發熱量大，平均熱流密度高達1 104W/m2，因此試驗以驅動電路板為重點研究對象。

（1）試驗系統組成

試驗系統由試驗驅動電路盒、測溫系統、冷源（制冷機組、冷板）、電源組成。試驗驅動電路盒內部電路板表面貼加熱片模擬電子元器件發熱；布置熱電偶測溫，溫度數據由安捷倫數據采集器（34980A）完成采集與顯示、記錄。電路盒表面（靠近驅動電路板一側）安裝在冷板上，控制冷板溫度模擬其溫度邊界。試驗系統實物見圖3。為了減小空氣對流對試驗的影響，電路盒周圍進行了遮擋。

圖3 試驗系統圖Fig.3 Picture of test system

（2）試驗驅動電路盒內部熱控技術狀態

試驗驅動電路盒由驅動電路板、CCD電路板、電路盒殼體組成。根據電子元器件封裝的熱特性[9-10]，用鋁塊（條）模擬驅動電路板上的電子元器件熱容、其發熱由加熱片模擬。加熱片貼在模擬驅動電路板表面上，加熱片表面貼鋁塊（條），其正面發熱量通過電路盒凸臺導至電路盒殼體、背面發熱量通過內部散熱鋁板（加工出散熱凸臺結構）導至電路盒殼體，鋁塊（條）與凸臺之間填充彈性導熱硅橡膠墊，詳見圖2。由于CCD電路上平均熱流密度較小，在其表面上貼一片加熱片模擬其電子元器件全部發熱。

（3）試驗結果及分析

進行了約48min的加電測試，冷板溫度控制在25℃。主要測點溫度變化曲線如圖4所示。

圖4 各測點溫度變化曲線Fig.4 Temperature curves at each testing position

從圖4中可看到，驅動電路板上的E器件測點溫度最高，達到約63℃；C器件測點次之，達到約58℃；D測點器件達到約57℃；CCD電路溫度約54℃；電路盒殼體溫度約31℃～39℃。

在冷板25℃條件下，驅動電路上測點最高溫升高達約38℃，且與電路盒殼體溫差較大，說明其熱量沒有有效的導至電路盒殼體，造成器件溫升過大，需要重點加強其散熱設計；驅動電路板正反兩面均有大功率器件，特別是有24片E器件兩兩“背靠背”安裝，不利于其散熱，其溫度甚至超過了功耗更大的C、D器件，是問題的癥結所在。

3 改進后的熱設計及試驗驗證

針對傳統熱設計試驗結果及分析，找到了散熱問題的癥結，進而對熱設計作出相應改進，重新建立了發熱器件至電路盒殼體之間的傳熱路徑，并對此改進措施進行了驗證。

3.1 改進后的熱設計

1）將原設計中排布在驅動電路板反面的12片E器件、1片C器件的改布到電路板正面，并調整電路板正面D器件的位置，如圖5所示；

2）在電路盒殼體相應位置新增加散熱凸臺為調整布局的14片器件散熱，如圖5所示；

3）由于在1）中將驅動電路板背面器件排布到了電路板正面，原設計中的散熱鋁板失去了作用對象，若保留反而會起到阻礙內部熱交換的不利影響，故將其取消。

圖5 熱設計改進后的實物及模型圖Fig.5 Photo and model drawing of improved thermal design system

改進熱設計與原熱設計相比，驅動電路板上器件主要散熱路徑發生了根本變化，所有器件散熱途徑均簡化為：器件→導熱墊→電路盒殼體（凸臺）。

3.2 試驗驗證

為了驗證熱設計改進的效果，與傳統方法進行對比。試驗加電時間、器件功耗、冷板溫度、溫度測點布置等條件均不變。主要測點溫度變化曲線如圖6所示。

圖6 熱設計改進后各測點溫度變化曲線Fig.6 Temperature curves at each testing position for improved thermal design

從圖6中不難發現，相比熱設計改進前，驅動電路板上的C器件、D器件、E器件及CCD電路測點溫度均有了大幅度的下降，具體詳見表3。

表3 兩次試驗溫度數據對比Tab.3 Comparision betwen the tests before and after improvement ℃

通過改進熱設計，驅動電路盒內部電路板溫度有了大幅度降低，說明了改進后熱設計的有效性。改進的熱設計將驅動電路板上的器件布置在了一面，并將該面上的器件與電路盒殼體建立了直接的導熱關系，大大降低了熱阻，滿足了引言所述的航天電子設備散熱設計的一般原則要求。

4 結束語

本文針對某空間光學遙感器焦面電路熱設計實例，開展了相關試驗。在試驗中發現該熱設計的不足之處，提出了改進措施并進行了試驗驗證。通過兩次試驗數據的對比，驗證了熱設計改進措施的有效性。該熱設計工作經歷了熱設計→試驗驗證→改進熱設計→再次驗證的螺旋上升過程，深刻體現了熱設計過程的曲折性與試驗驗證的重要性。

本文熱設計改進的成功之處在于在大功耗電子元器件與電路盒殼體之間建立了直接的導熱關系，將熱阻降至最低，從而大大降低了電子元器件的溫度，該設計方法值得推廣應用。

（References）

[1]羅志濤，徐杼巖，陳立恒.大功率焦面器件的熱控制[J].光學精密工程，2008，16（11）：2187-2193.

LUO Zhitao，XU Zhuyan，CHEN Liheng.Thermal Control of High-power Focal Plane Apparatus[J].Optics and Precision Engineering，2008，16（11）：2187-2193.（in Chinese）

[2]訾克明 吳清文 郭疆，等.空間光學遙感器CCD焦面組件熱設計[J].光學技術，2008，34（3）：401-407.

ZI Keming，WU Qingwen，GUO Jiang，et al.Thermal Design of CCD Focal Plane Assembly of Space Optical Remote-sensor[J].Optical Techniqe，2008，34（3）：401-407.（in Chinese）

[3]Janicki M，Napieralski A.Modeling Electronic Circuit Radiation Cooling Using Analytical Thermal Model[J].Microelectronics Journal，2000，31：781-785.

[4]云和明，李真，陳寶明.微小空間電子器件散熱研究[J].山東建筑工程學院學報，2004，19：54-58.

YUN Heming，LI Zhen，CHEN Baoming.Study on Heat Dissipation of Electronic Apparatus in Minispace[J].Journal of Shandong University of Architecture and Engineering，2004，19：54-58.（in Chinese）

[5]謝德仁，景莘慧.電子設備熱控制仿真技術評述[J].電子機械工程，2007，23（5）：9-11.

XIE Deren，JING Shenhui.A Review ofSimulation Technique for Electronic Equipments Thermal Control[J].Electromechanical Engineering，2007，23（5）：9-11.（in Chinese）

[6]連新昊，顏吟雪.基于熱電制冷技術的某星載相機焦面組件熱設計[J].航天返回與遙感，2011，32（3）：43-50.

LIAN Xinhao，YAN Yinxue.Thermal Design of Focal Plane Assembly on Space Camera Based on Thermo-electric Cooling Technology[J].Spacecraft Recovery&Remote Sensing，2011，32（3）：43-50.（in Chinese）

[7]平麗浩，錢吉裕，徐德好.電子裝備熱控新技術綜述（上）[J].電子機械工程，2008，19（1）：1-10.

PING Lihao，QIAN Jiyu，XU Dehao.A Review of the Thermal Control Technologies for Electronic Systems：Part I[J].Electromechanical Engineering，2008，19（1）：1-10.（in Chinese）

[8]趙紅振，齊暑華，周文英，等.導熱彈性硅橡膠墊片的性能研究[J].橡膠工業，2008，55（2）：100-103.

ZHAO Hongzhen，QI Shuhua，ZHOU Wenying.Study on Properties of Elastomeric Thermal Silicone Rubber Pads[J].China Rubber Industry，2008，55（2）：100-103.（in Chinese）

[9]周德儉，黃紅艷，彭開強.IC器件熱特性評價方法研究[J].電子機械工程，2008，19（1）：18-22.

ZHOU Dejian，Huang Hongyan，PENG Kaiqiang.Study on Evaluation Method for Heat Characteristics of IC Devices[J].Electromechanical Engineering，2008，19（1）：18-22.（in Chinese）

[10]Culham J R，Yovanovich M M，Lemczyk T F.Thermal Characterization of Electronic Packages Using A Three-dimensional Fourier Series Solution[J].Journal of Electronic Packaging，2000，122（3）：233-239.