某彈載電子設備熱設計研究

王虎軍 付 娟

（中國電子科技集團公司第三十八研究所，安徽合肥230088）

0 引言

彈載電子設備受應用平臺的限制面臨著可用空間和重量等多方面的限制，為了提升性能，大功率電子器件和大規模集成電路在彈載電子設備上的應用越來越多，導致其功率密度越來越大。受外部氣動加熱的影響，在導彈飛行中段和末段開始工作的電子設備還要面臨很高的初始工作溫度，這使得彈載電子設備的散熱問題日益突出[1-3]。彈載應用平臺的特殊性和電子設備短時工作的特點決定了其難以采用傳統的風冷或液冷等傳統的冷卻方式解決設備散熱的問題，目前，彈載電子設備主要采用熱傳導及熱沉儲熱等被動冷卻方式進行散熱[4]。本文結合某小型彈載雷達的熱設計，對彈載電子設備的散熱技術進行了研究。

1 系統熱設計

1.1 系統概述

圖1 某小型彈載雷達結構圖（外圍框架未顯示）

某小型彈載雷達系統由天線、TR組件、冷板、框架結構和后端電子設備組成，如圖1所示（圖中框架結構未顯示）。系統中主要的功率器件為8個TR組件，每個組件中包含8個大功率芯片，芯片尺寸為3mm×3mm×1.5 mm，熱耗為3.5 W。芯片先焊接在同樣大小的鉬銅上，再與鋁合金底板焊接。

1.2 熱設計

該雷達工作在飛行末段，受外部氣動加熱影響，初始工作溫度為65℃，要求系統連續工作3 min后，芯片殼溫最高溫度不超過117℃。系統在彈載應用環境實際工作時，除依靠結構件熱容吸熱（輻射散熱可忽略）外，難以采用其他散熱方式。系統大部分發熱量都集中在TR組件內，組件采用背靠背設計，組件背部采用異形設計，能夠與冷板上的導熱翅片匹配接觸，如圖2所示。組件熱量通過導熱翅片傳導到冷板上。利用TR組件殼體、冷板和框架等金屬結構件的熱容作為熱沉，吸收組件工作時耗散的熱量，傳熱路徑如圖3所示。

綜合考慮系統的力學性能要求和散熱需求，框架結構選用鋁合金2A12材料，冷板采用高導熱的鋁合金6063材料，組件盒體采用鋁合金6061材料。各材料的熱物性參數如表1所示。

2 熱仿真分析

圖2 TR組件和冷板

圖3 傳熱路徑示意圖

表1 材料熱物性[5]

利用仿真軟件對電子設備開展熱仿真分析，根據軟件處理和網格劃分的需求，對模型進行簡化：（1）忽略螺釘孔和倒角等特征；（2）忽略電連接器和設備的連接件等；（3）忽略電連接器、電纜線、設備的連接件、緊固件等；（4）忽略內部結構件殼體之間的輻射換熱；（5）彈載電子設備工作的海拔高度通常都比較高，空氣密度小，因此忽略組件與環境之間的對流換熱。

建模過程中忽略了各種連接件和接插孔等結構和特征，對系統總重量會有所影響，為了減小模型簡化對瞬態熱分析過程的系統儲熱能力的影響，模型中在材料設置上進行了等效處理，根據各個部件體積的差異對相應的材料密度進行等效，保證整個模塊的質量不變。具體的仿真模型如圖4所示。

圖4 熱仿真模型

系統的初始工作溫度為65℃，連續工作3 min，圖5給出了3 min末的整體結構和TR組件各芯片的熱仿真溫度分布云圖。從圖中可以看出，最高溫度出現在邊緣位置的功率放大器處，這是因為單個TR模塊中芯片并不是對稱分布的，該位置到冷板導熱肋的距離最遠，并且側邊的功率放大器對應位置的TR殼體厚度比其他位置要薄，這就導致其溫度要高于其他芯片，最高溫度達到122.8℃，不滿足殼溫低于117℃的要求。

圖5 系統在3 min末的溫度分布云圖（單位：℃）

3 優化設計

仿真分析結果表明，芯片的最高溫度超過允許溫度5.8℃，不能滿足其工作溫度要求，需要進行進一步的優化設計，提升系統的儲熱能力，從而降低發熱器件的溫升，使其在要求的溫度范圍內工作。表2給出了各主要結構件的重量和平均溫升，結合圖5的溫度分布可以看出，框架的質量比冷板和TR殼體總質量還大，但是由于其距離熱源的位置較遠，熱量要經過TR殼體和冷板才能到達框架，導熱路徑太長導致其溫升很小，這說明框架的熱容沒有得到有效的利用。因此可以對系統結構進行優化設計，TR組件盒體是組件熱量傳出的第一步，溫升最高，若是該處能夠增加一條傳熱路徑將熱量導出，將會降低TR組件功率放大器的殼體溫升。

表2 各主要結構件重量及平均溫升

另外，對于彈載雷達這種具有短時工作、高發熱特性的電子設備，利用合適溫度的相變材料來增加系統熱沉是解決其散熱問題的一種重要手段[3-4]。

基于以上分析，系統做如下改進，在TR組件和框架之間增加相變冷板，如圖6所示。采用導熱襯墊填充相變冷板和TR組件之間的間隙，采用螺接的形式將相變冷板固定在框架上，并在接觸面涂抹導熱硅脂，保證各接觸面接觸良好。改進設計后可以從以下兩方面改善系統散熱：一方面在相變冷板內填充相變材料，增加系統熱沉。由于系統初始工作溫度已經達到65℃，因此，這里選用相變溫度約為70℃的相變材料，相變材料的焓值分布圖如圖7所示。另一方面在TR組件和框架之間建立了新的傳熱路徑，降低TR組件與框架之間的傳熱熱阻，傳熱路徑示意圖如圖8所示。

圖6 系統剖視圖

圖7 相變材料焓值分布圖[3]

圖8 傳熱路徑示意圖

根據以上優化設計，在原初始條件和邊界條件不變的情況下，對模型進行熱仿真分析，熱分析結果如圖9所示。從圖中可以看出，優化設計后，組件溫度明顯降低，框架結構溫升水平有所提高，芯片最高溫度為110.49℃，滿足工作溫度不超過117℃的溫度指標要求。

圖9 優化后系統熱仿真分析結果示意圖（單位：℃）

4 結語

彈載應用平臺的特殊性和大功率集成封裝模塊的應用導致彈載電子設備的散熱問題日趨嚴重。本文以某小型彈載雷達的熱設計為例，對彈載電子設備的散熱設計進行了研究。文中通過優化設計和仿真分析發現，優化內部導熱路徑和相變組件的設計與利用可以有效降低大功率芯片的溫度，是解決彈載電子設備短時間大熱耗工作的重要措施，對彈載電子設備的散熱設計提供了參考。

[1]陳世鋒.雷達制導部件高熱流密度組件散熱技術[J].電子機械工程，2014（2）：12-15.

[2]劉琳.某彈載雷達天線系統結構設計[J].機械與電子，2017，35（9）：24-26.

[3]楊雙根，袁智，付娟，等.彈載雷達導引頭熱設計技術探討[J].電子機械工程，2017，33（1）：44-47.

[4]尹本浩，劉芬芬，王延.彈載電子設備相變熱沉裝置散熱性能研究[J].電子機械工程，2015（6）：6-10.

[5]黃伯云，李成功，石力開，等.中國材料工程大典（第4卷）：有色金屬材料工程（上）[M].北京：化學工業出版社，2006：64-98.