宇航電子模塊結(jié)構(gòu)熱設(shè)計(jì)

吳晟 李佳煒 王愛(ài)國(guó) 倪建麗 施愛(ài)蓮

摘要：本文介紹了宇航電子模塊熱設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)，實(shí)際工程問(wèn)題分析和熱設(shè)計(jì)優(yōu)化思路，并提出了多個(gè)有效的措施，對(duì)于新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和散熱問(wèn)題的解決有著較好的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：電子模塊;熱設(shè)計(jì);宇航

中圖分類(lèi)號(hào)：TN915.05 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2020）01-0224-02

0 引言

宇航電子模塊一般的工作環(huán)境為真空，且不可維修，故電路設(shè)計(jì)一般應(yīng)遵循降額準(zhǔn)則，確保整機(jī)具有較高的可靠性。衛(wèi)星的工作壽命已延長(zhǎng)到數(shù)年甚至數(shù)十年以上[1]。為了保證產(chǎn)品壽命，其中重要的一點(diǎn)是熱設(shè)計(jì)，確保所有器件都得到良好的散熱，具有理想的使用壽命。隨著技術(shù)的發(fā)展，電子設(shè)備的表面貼裝元件密度越來(lái)越高，設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中熱流密度不斷增加[2]。

熱設(shè)計(jì)的源頭是電路方案的優(yōu)化，結(jié)構(gòu)的熱設(shè)計(jì)對(duì)于電路方案起支撐，保護(hù)作用，同時(shí)提供良好的散熱條件。結(jié)構(gòu)熱設(shè)計(jì)應(yīng)提前介入到印制板的器件布局，進(jìn)行器件布局優(yōu)化，并最終通過(guò)合理的方案進(jìn)行散熱。

1 熱設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)

熱量傳遞有三種基本方式：熱傳導(dǎo)、對(duì)流和熱輻射。

宇航電子模塊一般需在真空環(huán)境中工作，沒(méi)有空氣的存在，所以散熱主要依靠熱傳導(dǎo)和熱輻射兩種方式。電子類(lèi)單機(jī)通常情況下主要依靠熱傳導(dǎo)進(jìn)行散熱，出于簡(jiǎn)化問(wèn)題的考慮，熱設(shè)計(jì)的過(guò)程中也主要依靠熱傳導(dǎo)的手段解決散熱的工程問(wèn)題，熱輻射只是作為一種額外的，增加可靠性及熱設(shè)計(jì)裕量的輔助手段。

平壁導(dǎo)熱計(jì)算公式[3]：φ=AΔt

把公式寫(xiě)成傳熱系數(shù)的形式：φ=AkΔt，傳熱系數(shù)k=λ/δ

把公式寫(xiě)成熱阻的形式：φ=

δ/（Aλ）稱(chēng)為傳熱過(guò)程熱阻（K/W），δ/λ稱(chēng)為面積熱阻。

傳熱系數(shù)是不包含面積的系數(shù)，傳系數(shù)和面積熱阻是倒數(shù)關(guān)系。

實(shí)際的產(chǎn)品手冊(cè)中使用的指標(biāo)不同，有的使用傳熱系數(shù)，有的使用熱阻的概念，理解應(yīng)用時(shí)應(yīng)注意區(qū)分和變通。

兩個(gè)名義上互相接觸的固體表面，實(shí)際上接觸僅發(fā)生在一些離散的面積元上，如圖1所示。在未接觸的界面之間有著一定的間隙，熱量將以熱傳導(dǎo)及輻射的方式穿過(guò)這種間隙層。這種情況與兩固體表面真正完全接觸相比，增加了附加的傳遞阻力，稱(chēng)為接觸熱阻。

串聯(lián)熱阻疊加原則與電學(xué)中串聯(lián)電阻疊加原則相對(duì)應(yīng)，即：在一個(gè)串聯(lián)的熱量傳遞過(guò)程匯總，如果通過(guò)各個(gè)環(huán)節(jié)的熱流量都相同，則各串聯(lián)環(huán)節(jié)的總熱阻等于各串聯(lián)環(huán)節(jié)的熱阻的和。如圖2所示，R總=過(guò)程熱阻R1+過(guò)程熱阻R2+過(guò)程熱阻R3。

2 實(shí)際工程問(wèn)題分析

當(dāng)源頭的電路設(shè)計(jì)無(wú)法繼續(xù)優(yōu)化降低熱耗時(shí)，就要依靠結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手段來(lái)進(jìn)行熱設(shè)計(jì)優(yōu)化了。首先要做的工作是進(jìn)行初步方案設(shè)計(jì)，所有的發(fā)熱器件進(jìn)行布局，然后進(jìn)行傳熱過(guò)程熱阻分析。分析每個(gè)環(huán)節(jié)的溫升，找出關(guān)鍵環(huán)節(jié)并盡量?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)，最終降低器件的殼溫。由于工程實(shí)際的需求，往往會(huì)在設(shè)計(jì)中增加額外的過(guò)程熱阻，比如要求兩個(gè)部分必須可以分離，而分離的兩個(gè)零件與一體式的零件相比，就增加了一個(gè)接觸熱阻，在總體設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)予以考慮。

熱設(shè)計(jì)的目標(biāo)則是減少發(fā)熱器件到散熱面的總熱阻在熱傳導(dǎo)過(guò)程中，主要指的是：（1）零件導(dǎo)熱產(chǎn)生的傳熱過(guò)程熱阻和。（2）零件互相接觸產(chǎn)生的接觸熱阻。

宇航電子單機(jī)中通常的傳熱路徑為器件-冷板-殼體-殼體底面或器件-印制板-殼體-殼體底面。

僅通過(guò)印制板導(dǎo)熱的器件，一般發(fā)熱功率較小，可以簡(jiǎn)化為印制板的均勻發(fā)熱，不單獨(dú)考慮。

如果仿真下來(lái)器件的溫升較大，即總的傳導(dǎo)熱阻較大時(shí)，就應(yīng)該想辦法降低熱傳導(dǎo)環(huán)節(jié)的熱阻。

在零件導(dǎo)熱過(guò)程中，從傳熱過(guò)程熱阻δ/（Aλ）的公式可以看出，熱傳導(dǎo)的熱阻和導(dǎo)熱距離δ，材料導(dǎo)熱系數(shù)λ、導(dǎo)熱面積A有關(guān)。減少傳熱過(guò)程熱阻的方法是縮短導(dǎo)熱距離δ，增加材料導(dǎo)熱系數(shù)λ或增加傳熱面積A。而降低接觸熱阻的方法是增大接觸面積、降低零件表面的粗糙度、增加零件接觸的正壓力和填充零件間的縫隙，如使用導(dǎo)熱墊或硅脂等材料。

3 設(shè)計(jì)優(yōu)化措施

對(duì)于減少過(guò)程熱阻，實(shí)際可采取的措施有：（1）選擇更優(yōu)良的導(dǎo)熱材料制作零件，比如鋁、銅。（2）增大導(dǎo)熱結(jié)構(gòu)截面積，如增大冷板厚度。（3）縮短導(dǎo)熱路徑，如移動(dòng)器件位置。（4）當(dāng)接觸熱阻的溫升較大，即接觸熱阻較大時(shí)，就應(yīng)該向辦法降低接觸熱阻接觸熱阻和材料表面粗糙度、填充導(dǎo)熱介質(zhì)以及施加的正壓力大小有關(guān)。

減少接觸熱阻可采取的措施有：（1）改善材料表面粗糙度。（2）填充硅脂或?qū)釅|。（3）增大螺釘直徑或增加螺釘數(shù)量，從而增大施加的正壓力。（4）增大有效的導(dǎo)熱接觸面積。

常用的設(shè)計(jì)方案如下：（1）當(dāng)發(fā)熱器件功耗較小時(shí)，可采取整體式或分離式的2mm冷板幫助散熱。（2）發(fā)熱器件應(yīng)盡量布置在接近底面或和底面較近的，熱傳導(dǎo)路徑短的位置，如：和底面相連的側(cè)壁。特別是當(dāng)器件熱耗較大時(shí)，直接安裝在底面是最佳的選擇，可以極大地優(yōu)化模塊整體的散熱性能。（3）當(dāng)器件的尺寸較小，熱流密度較大時(shí)，常規(guī)的安裝方式不足以滿(mǎn)足需求，可以充分利用器件的各個(gè)表面，用額外的散熱板增加器件的熱傳導(dǎo)面積，開(kāi)辟更多的散熱路徑。如同時(shí)使用封裝器件的底面和頂面進(jìn)行散熱。（4）使用擴(kuò)熱板增加可用散熱面積，均攤熱流密度。

當(dāng)器件不能承受較大的壓力，或者由于結(jié)構(gòu)限制無(wú)法直接和殼體緊貼散熱時(shí)（如多個(gè)表面同時(shí)接觸），一般需要根據(jù)器件的高度設(shè)計(jì)散熱結(jié)構(gòu)，并保持一定的間隙，避免力學(xué)試驗(yàn)時(shí)撞擊芯片，同時(shí)采用比較柔軟的導(dǎo)熱填隙材料填充縫隙，形成良好的散熱路徑。

由于器件焊接后的高度以及結(jié)構(gòu)件的高度均存才公差，所以一般需要實(shí)際測(cè)量間隙的尺寸后，再根據(jù)測(cè)量結(jié)果匹配合適的導(dǎo)熱填隙材料，避免導(dǎo)熱填隙材料壓縮量過(guò)大，導(dǎo)致壓力過(guò)大，壓壞芯片?；蛘邔?dǎo)熱填隙材料厚度小于間隙，不能正常導(dǎo)熱。

4 結(jié)語(yǔ)

結(jié)構(gòu)熱設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮到整個(gè)熱傳遞過(guò)程的熱阻環(huán)節(jié)并有針對(duì)性地進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，同時(shí)提供給印制板及器件合適的支撐和散熱環(huán)境。應(yīng)充分識(shí)別每個(gè)需要散熱的器件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，識(shí)別熱源位置并有針對(duì)性地設(shè)計(jì)導(dǎo)熱通道。另外，設(shè)計(jì)散熱結(jié)構(gòu)時(shí)需注意是否有可拆卸的需求，如調(diào)試需要、轉(zhuǎn)接板安裝需要等，需在設(shè)計(jì)的過(guò)程中一并考慮，統(tǒng)籌兼顧，通過(guò)各種仿真軟件進(jìn)行迭代設(shè)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品整體性能最優(yōu)。

參考文獻(xiàn)

[1] 閔桂榮.衛(wèi)星熱控制技術(shù)[M].北京：中國(guó)宇航出版社，1991.

[2] 陳炳榛.淺談通信設(shè)備熱設(shè)計(jì)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)措施[J].中國(guó)新通信，2015，17（14）：24-25.

[3]? 楊世銘，陶文銓.傳熱學(xué)（第三版）[M].北京：高等教育出版社，1998.