兼具低頻磁屏蔽效能的印制板組件熱沉制備與測試

周旭，陳晨，顧衛標，錢愛平

（1-南通大學杏林學院，江蘇南通 226019；2-廈門大學計算機學院，福建廈門 361005）

0 引言

某彈載電子設備中的印制板上安裝有一種大功率專用器件，工作時存在低頻強磁場的泄漏，因此在對印制板組件（Printed Circuit Board Assembly，PCBA）散熱的同時必須進行磁場屏蔽。

該PCBA的工況：環境溫度60 ℃，海拔1 000 m，連續工作時間14 min，總功耗140 W，要求器件殼溫不大于85 ℃，并符合GJB 5240—2004[1]中3級屏蔽效能（Shielding Effectiveness，SE）的要求。

實際上，PCBA的散熱設計與電磁兼容性（Electromagnetic Compatibility，EMC）設計在許多應用場合都是一對矛盾體，例如散熱需要開式機箱，而EMC則需要密封屏蔽機箱。目前的做法是分開單獨設計，導致設備的體積和重量較大。其中，散熱主要采用相變制冷[2-4]、熱電制冷[5]及熱管技術[6]。本文基于新型相變材料的復合特性，對PCBA的散熱和EMC進行協同設計。

1 設計原理

1.1 散熱原理

某彈載設備的環境是一個狹小的密閉空間，無法利用大氣作為熱沉，常見的風冷、液冷皆不適用。環境溫度為60 ℃，也不能有效利用輻射散熱。此外，高熱流密度則要求快速散熱，最好是瞬態散熱，否則可能導致器件燒毀。

彈載電子設備工作時間短這一重要特征，決定了其可采用瞬態儲熱熱沉進行散熱[7]，熱量被短時間儲存，從而緩解設備工作時的溫升，確保設備在規定時間內正常工作。

1.2 低頻磁場屏蔽

在EMC屏蔽設計中，靜電屏蔽、低頻電屏蔽、高頻磁屏蔽以及高頻電磁場的屏蔽措施都是采用良導體封閉處理，區別是有的需要接地，有的則不需要，相對簡單。而低頻磁場（0.01～20 MHz）的信號是一種極難對付的電磁信號，其頻率低、趨膚效應小、反射損耗小，因而吸波和反射機理均無用武之地。目前唯一的辦法是借助高導磁材料所具有的低磁阻特性：強磁場的磁力線優先通過磁阻小的屏蔽材料，即起到所謂的屏蔽作用。

獲得低頻磁屏蔽較高效能的關鍵是屏蔽材料必須有足夠的厚度，而這正是彈上PCBA低頻磁屏蔽的一個棘手問題。目前沒有質輕又有足夠厚度的磁屏蔽材料，通常的做法是在盒體表面刷或鍍一層磁性材料，因此很難滿足GJB 5240—2004[1]中關于磁屏蔽的3級要求。

2 設計方案

2.1 傳統設計

密封盒體采用壁厚5 mm鋁合金6061材料，作為質輕的良導體，是PCBA的底部，同時也是熱沉和EMC屏蔽體。PCBA通過螺釘連接于盒體底部，盒體尺寸為150 mm×150 mm×50 mm，蓋板與盒體通過螺釘連接。功率器件產生的熱量傳至金屬殼體，利用結構件顯熱，被動存儲電子器件的熱耗。

該屏蔽盒的體積功率密度：

計算可得體積功率密度φV=0.12 W/cm3，已超過了自然散熱的極限值0.09，顯然，僅靠金屬殼體的熱容不能滿足PCBA的散熱需求。此外，該屏蔽盒也不具備低頻磁屏蔽效能。

2.2 增強散熱效果設計

圖1中，為了增強熱沉的熱容，在PCBA與盒體底部之間設計一個相變散熱器。外殼采用6063鋁板焊接而成，其材料具有較好的強度和導熱性能。

圖1 相變熱沉（單位：mm）

最下面的底板設計成螺釘安裝，添加相變材料（Phase Change Material，PCM）時，將圖中熱沉倒置，用注射器敞開式加注95%的空間，然后安裝密封圈和圖中底板，用螺釘擰緊。此設計無需加注孔與排氣孔。發熱元器件的熱量通過傳導轉換為PCM的潛熱，可大大增強器件散熱效果。石蠟[8]是最常用的PCM，潛熱大，種類多，可以獲得合適的相變溫度。然而石蠟的導熱系數只有0.2 W/(m·K)，傳熱速度慢[9]，不能滿足彈上PCBA瞬態散熱的要求。

2.3 提高散熱速度設計

提高石蠟散熱速度的有效辦法是在石蠟中添加高導熱物質構成復合材料，目前已進行研究的材料有銀、銅[10]、鋁[11]、鉛、不銹鋼、金屬氧化物（CuO、TiO2、二氧化硅）[12-15]、鹽（NaCl-CaCl2）[16]、碳類（碳納米管、碳納米纖維、碳纖維、石墨、膨脹石墨和石墨烯[17-19]）、氮化物陶瓷（AlN）及金屬-非金屬的復合物（碳包銅）。這些熱傳導增強材料能夠提高散熱速度，但還不具備低頻磁屏蔽的效能。

2.4 低頻磁屏蔽設計

設計思路：在強漏磁器件的漏磁方向附近設置高導磁材料，強磁場的磁力線優先通過這些磁性材料，從而限制了磁場能量的范圍，避免對其它磁敏感器件造成干擾。

鎳（Ni）的初始相對磁導率可達30 000，是一種高導磁材料。在石蠟中添加納米鎳粉是對PCBA進行低頻磁屏蔽的可行方案。考慮到Ni粉分布的均勻性會影響屏蔽效果，因此將熱沉的相變部分設計成圖2所示的網格狀，材料與屏蔽盒體相同，并采用低溫焊接技術與盒體焊接，構成一個整體的多功能熱沉。

圖2 熱沉小網格化設計

由于散熱取決于相變材料，磁屏蔽取決于磁性材料，故網格尺寸不影響熱沉性能；但是表面張力的存在，間隔過小影響加注可靠性。而太大則不能有效化解相變膨脹力，經過多次實驗，決定取8 mm。

3 復合相變材料的制備

對器件表面最高允許溫度85 ℃進行II級降額設計，選用德國某公司的70#石蠟，相變溫度約為70 ℃。導熱增強材料選擇納米Ni粉，純度為99.9%；導熱系數為90.7 W/(m·K)，球形粒徑為40 nm，比表面積為24.2 m2/g，能為相變材料提供更大的接觸面積。

選擇超聲混合法制備石蠟鎳粉復合相變材料，設備包括超聲波清洗器、電子精密天平和循環水浴等，實驗用水均為去離子水。共制備5種混合物，其中納米Ni的質量分數分別為0%、2%、4%、6%和8%。具體過程如圖3所示。

圖3 復合材料制備過程

1）將加熱的石蠟和納米Ni粉在燒杯中混合，將溫度保持在110 ℃，持續4 min；2）水浴的同時進行混合物超聲處理，復合材料的溫度保持在100 ℃，持續40 min以確保納米Ni粉均勻摻雜在石蠟中；3）加熱后的復合材料在常溫下靜置4 h，制成所需實驗樣品。

利用掃描電鏡（0.2～30 kV）對Ni質量分數2%～8%的樣品進行切片觀察，如圖4所示。對比觀察后發現，Ni顆粒在石蠟表面均能夠分布均勻，隨著占比增加，分布也越密集。

圖4 不同質量份數時Ni的樣品切片圖

4 復合材料性能測試與分析

4.1 復合材料的導熱系數

C-Therm TCi導熱儀是加拿大某公司的一款導熱系數測量設備，適用于固體、粉末、膠體和液體的快速準確測量。對不同Ni含量復合材料的導熱系數進行實驗測定，將結果數據逐點描圖，得到圖5所示的導熱系數分布曲線。

圖5 導熱系數分布曲線

由圖5可知，隨著Ni粉比例的增加，復合相變材料的導熱系數增加，但增加速度減緩，在摻雜質量分數8%的Ni粉后，復合材料的導熱系數達到0.77 W/(m·K)。這是由于納米粒子在受熱后作無規則運動，與石蠟分子產生碰撞，粒子所攜帶的能量便發生了遷移，大大增強了復合材料內部能量傳遞過程。納米粒子越多，這種能量傳遞的能力就越強。

4.2 相變特性

采用差示掃描量熱儀（Differential Scanning Calorimeter，DSC）[20]，測試步驟略。

4.2.1 相變潛熱

圖6所示為相變潛熱隨Ni質量分數的變化。由圖6可知，復合材料相變潛熱隨著納米Ni含量的增加逐漸減少，原因是鎳本身不是相變材料，而鎳粒子的增加減少了石蠟的相對含量，因此相變潛熱值下降，但是下降幅度并不大，仍有240.8 kJ/kg。

圖6 相變潛熱隨Ni質量分數的變化

4.2.2 相變溫度

相變溫度實驗測定結果分布如圖7所示。由圖7可知，相變溫度隨著Ni含量的增加略有降低，小于0.4 ℃。

圖7 相變溫度分布曲線

原因是納米Ni粉受熱后產生不規則運動，不斷碰撞石蠟分子，削弱了石蠟分子中的范德華作用力和靜電引力，使得石蠟結晶粒子的排列更容易從有序變為無序而呈現出流動性，最終導致相變溫度降低。Ni粉含量越大，對石蠟分子內部作用力的削弱就越強烈。

4.2.3 相變時間

熔化效率是彈上PCM在實際應用中被考量的重要因素，通常用相變時間來定量描述。圖8所示為相變時間隨Ni質量分數的變化。由圖8可知，Ni納米顆粒增強的導熱性有效地加速了熱擴散和熱傳遞，可以加速固-液相變，相變時間少于160 s，說明傳熱效率增加。同時，潛熱降低到240.8 kJ/kg，說明每單位質量PCM需要更少的熱能來發生相變。因此，添加Ni納米顆粒可以減少熔化時間并提高熔化效率。

圖8 相變時間隨Ni質量分數的變化

4.2.4 循環穩定性

此彈上復合材料屬于火工品的一部分，對循環穩定性的要求較低。對幾件樣品每隔3 d進行一次加熱實驗，得出循環10次均未發現明顯分層。關鍵在于不能因長時間貯存而產生嚴重分層，否則會減小Ni層厚度，降低屏蔽效能。將幾件樣品靜置100 d，測量Ni層厚度的變化，結果均小于4%。原因在于選擇了質輕且比重接近的材料。其中石蠟的比重為0.78 g/cm3，納米Ni粉體積密度為0.72 g/cm3。在實際貯存時，可設定每3個月倒置一次。

5 熱沉性能測試與分析

為了兼顧散熱與電磁屏蔽綜合效能，選擇Ni質量分數為8%的復合材料填充后，制成完整熱沉進行測試。

5.1 散熱性能測試與分析

為了真實評估儲熱熱沉的性能，選擇60 ℃恒溫室進行測試。為避免熱風造成熱沉表面對流換熱，熱風出口方向應避開熱沉位置，在室溫達到60 ℃后減小熱風速度，并保持1 h后再開始測試，如圖9所示。模擬熱源與熱沉間采用螺釘連接，接觸面填充高導熱界面材料。3個K型熱電偶分別錫焊在功率為38、36和35 W的器件表面，測試信號傳送至溫度數據采集裝置。

圖9 溫度測試系統實物

殼溫隨時間變化的曲線如圖10所示，由于功率接近，3個器件殼溫在2 min后均升至69 ℃以上，PCM開始熔化，器件熱耗開始轉換為PCM材料的相變潛熱，由于該復合材料相變時間短、效率高，所以溫升速度瞬間被抑制，即實現了瞬態散熱。被抑制的溫升將持續一段時間，該時間的長短取決于熱沉中填充PCM的絕對數量。

圖10 3個器件殼溫隨時間的變化

當時間為17 min時，器件的殼溫又開始急劇上升，這是因為PCM的蓄熱已達到飽和，無法再吸收熱量。由于3個器件后期工作時間的占空比不同，所以上升拐點出現的時機并不相同。在23 min后殼溫再次接近是因為高溫時器件表面輻射增強[21]以及熱傳導所致。因此該熱沉起到了良好的溫控延時效果，器件殼溫升到85 ℃限值時最短耗時20 min，已超過軍方使用單位相應14 min的設計指標。

5.2 低頻磁屏蔽性能測試與分析

在屏蔽室內進行低頻磁屏蔽效能測試，測試時屏蔽室不留人，采用全自動測試系統。水平極化測試結果如圖11所示。

圖11 水平極化屏蔽效能

在0.01～30 MHz內的屏蔽效能SE大于30 dB，符合GJB 5240—2004[1]中關于屏蔽體的3級要求。圖中的SE隨著頻率增大而逐漸提高，是因為其它電磁場屏蔽機理的作用在逐步增強。

6 結論

本文基于散熱與電磁兼容協同設計，研究了納米Ni粉與石蠟復合相變材料的協同特性，分析了復合相變材料的傳熱機理、儲熱機理及其低頻磁場屏蔽機理，通過實驗得出如下結論：

1）質量分數小于8%的納米Ni顆粒在石蠟表面均能夠分布均勻；質量分數為8%的Ni粉復合材料導熱率達到0.77 W/(m·K)，優于石蠟；

2）復合材料相變潛熱值較石蠟稍有下降，為240.8 kJ/kg；復合材料相變時間為160 s，較石蠟吸熱效率高；

3）將復合材料結合鋁材制成一體化熱沉，在0.01～30 MHz內的屏蔽效能大于30 dB，符合GJB 5240—2004要求；

4）經過協同設計的熱沉具備質輕、導電、熱容大、吸熱快、效率高及低頻磁屏蔽效果好等優點；測試結果表明其能夠應用于彈載電子設備中大功率器件的散熱與屏蔽；下一步研究的目標是對重量、散熱與EMC進行三協同最優化設計，針對不同的質量、熱和EMC設計需求，找到納米Ni粉的最佳復合比例。