星載DBF單機熱設計

靳含飛

(中國電子科技集團公司 第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0 引言

DBF單機的功能是將天線陣列單元接收到的射頻回波信號無失真地變頻成中頻信號，再變換成數字信號，然后在高速數字波束形成計算機中進行加權和視頻數字全程處理，以形成所需的靈活、高質量接收波束[1]。某星載DBF單機是數字陣列體制星載有源相控陣系統的重要組成部分，其性能直接影響相控陣系統的分辨率、波束指向精度等關鍵指標，其可靠性水平直接關系到整個相控陣系統能否在軌穩定工作[2]。目前，對星載DBF單機的要求是體積小、重量輕，但是功率器件的熱耗、熱流密度卻越來越高。熱失效是電子設備的主要故障模式之一，因此星載DBF單機的熱設計對提高其性能及可靠性至關重要。本文針對星載DBF單機的熱設計，除了采用常規的表面熱控涂層強化輻射，還采用了均熱板技術。與組件殼體一體化設計的鋁制均熱板將芯片熱量高效傳導至底板，降低芯片與底板之間的溫差，從而降低芯片的最高工作溫度，提高芯片之間的溫度一致性。通過熱分析計算和熱測試的驗證，鋁制均熱板的熱設計方案滿足DBF單機的散熱需求，從而為星載電子設備的熱設計方案優化提供了一種新的方法。

1 DBF單機結構

DBF單機由DBFA和DBFB兩部分組成，相互之間通過螺釘連接成一個整體，再通過底部支耳上的4個螺釘固定在艙內安裝板上。DBF單機結構布局如圖1所示。

DBFA殼體分左、右兩個腔體，中間為基板。DBFA基板兩側各安裝一塊印制板，在殼體兩側安裝蓋板，具體如圖2所示。

DBFB結構與DBFA基本相同，只是一側與DBFA共用蓋板，具體如圖3所示。

圖1 DBF單機結構布局 圖2 DBFA外形圖(去除蓋板) 圖3 DBFB外形圖(去除蓋板)

DBFA或DBFB模塊殼體和蓋板均為6系鋁合金材料，中間基板厚度為4 mm，結構總重量為4.2 kg。

2 DBF單機熱設計

星載電子設備的熱失效是影響其可靠性的主要故障模式之一，熱設計的目的是將設備內所有元器件的溫度控制在規定的范圍內，并將設備內的溫差減至最小，以保證電子設備的正常工作[3]。

2.1 熱邊界條件

DBF單機安裝在艙內安裝板上，整星熱控在相應位置布置了熱管，用于其溫度控制。整星熱控確定DBF單機底板的最高溫度為+55 ℃，真空度要求不高于6.65×10-3Pa。

DBFA兩側安裝的兩塊印制板互為備份，不同時工作，單塊印制板熱耗為106 W，其主要芯片的熱耗及結溫指標要求如表1所示。

DBFB與DBFA的布局一致，兩塊印制板互為備份，單塊印制板熱耗為106 W。

2.2 熱設計方案

在空間真空環境下，星載電子設備內元器件的傳熱方式只有傳導和輻射兩種方式。對于DBF單機等艙內設備而言，電子元器件的熱量主要通過傳導或輻射的途徑傳至機殼或底板，再通過機殼輻射將熱量排放至艙內或通過底板傳導至艙內安裝板[4]。元器件密閉在機殼內部，設備輻射散熱的效能較低，因此DBF單機散熱的主要途徑是熱傳導。DBF單機的熱設計主要思路如下：

(1) 將印制板上的功率芯片外殼的頂面與中間的底板直接接觸，將熱量直接傳導至基板。

(2) 盒體中間的基板與安裝底板整體設計成T型均熱板，將大部分熱量高效傳導至底板，最后通過底板將熱量傳導給整星熱控。

(3) 單機的機殼外露部分均采用高發射率的熱控涂層，將部分熱量輻射至艙內環境。

表1 DBF芯片熱耗統計表

DBFA或DBFB模塊左右兩側的印制板均安裝在中間基板上，為了能將功率器件的熱量直接傳導至基板，縮短傳熱路徑，在基板兩側設計高度不一的散熱凸臺，凸臺頂面與功率器件的外殼頂面直接接觸。但器件與散熱凸臺接觸時，接觸面存在縫隙，且在真空條件下接觸熱阻顯著增大，為減小接觸熱阻，在兩者之間填充導熱硅脂。

DBFA或DBFB模塊殼體基板厚度僅為4 mm，如果熱量直接從基板傳導至底板，溫差較大，且部分功率芯片熱流密度達到25 W/cm2，局部熱量集中，溫升較高，無法滿足器件耐溫指標。因此需要采用新技術，將高熱流密度分散后高效傳導至底板，方能解決上述問題。均熱板由殼體、吸液芯和蒸汽腔等三部分組成，內部含有相變傳熱工質，均熱板工作原理如圖4所示[5]。均熱板的具體工作循環原理為：①工質在蒸發端吸收熱源的熱量并蒸發；②蒸汽在壓差作用下流向冷凝端；③蒸汽在冷凝端經外部散熱并冷凝；④冷凝端液體在毛細壓力作用下重返蒸發端進行工作循環[6]。均熱板相比熱管，實現了二維平面的相變傳熱，其整體當量導熱系數更高。將殼體的實體基板改為中空的均熱板，整體重量也會下降。

圖4 均熱板工作原理圖

本文采用鋁合金均熱板技術，將DBFA和DBFB模塊殼體的基板和底板整體設計成T型均熱板，將功率芯片的熱量分散，降低熱流密度，同時通過內部工質的相變將其高效傳導至底板，降低傳導溫差。因此在底板溫度一定的情況下，均熱板技術的應用，不僅可以使得DBF單機所有元器件的最高工作溫度降低；同時可以使得不同功率芯片之間溫差減小，提高其溫度一致性，從而可以避免熱失效，提高DBF單機的可靠性。同時由于鋁制均熱板內部為空心結構，在外形尺寸不變的情況下，其重量大幅降低，DBFA和DBFB總重量僅為3 kg，較原結構整體減重1.2 kg。

提高殼體表面的輻射效率可以進一步提高散熱效果。本文在DBFA和DBFB的外露表面采用黑色陽極氧化，提高了表面的發射率，提高了DBF單機向艙內環境散熱的效率。

3 DBF單機熱分析

3.1 仿真模型

利用FLOEFD軟件對DBF單機進行熱分析，按照DBF單機結構建立仿真模型。根據傳熱特性，對熱性能影響可忽略的模型細節進行了簡化：

(1) 刪除了倒角、圓角、圓孔等。

(2) 忽略螺釘、連接器零件。

(3) DBFA和DBFB發熱芯片按照實際大小建模，但簡化印制板，刪除其他元器件。

3.2 參數設置

熱仿真的主要參數設置如下：

(1) 底板的溫度設置為+55 ℃，無地球重力影響。

(2) 芯片熱耗按照實際大小設置，DBFA和DBFB模塊各106 W。

(3) 熱耗單機殼體外表面發射率設置為0.85，單機殼體內表面發射率設置為0.4。

(4) 芯片與殼體直接接觸熱阻設置為5×10-5m2·K/W。

(5) 殼體材料按照6063鋁合金材料特性設置，導熱系數為201 W/(m·K)，均熱板按照其腔體體積建為實體模型，等效熱導率設置為1 000 W/(m·K)，印制板按照FR-4特性設置，導熱系數為0.3 W/(m·K)。

3.3 仿真結果

對簡化后的模型劃分網格，設置參數后進行求解。得到的DBF單機整體溫度分布如圖5所示，DBFA芯片表面溫度分布如圖6所示，DBFB芯片表面溫度分布如圖7所示。

圖5 DBF單機整體溫度云圖

圖6 DBFA芯片表面溫度

由圖6仿真結果可知：DBFA仿真最高殼溫為U2芯片的70.91 ℃；結合芯片的結殼熱阻進行分析，最高結溫為D3芯片的77.31 ℃。DBFA所有芯片結溫均滿足不大于85 ℃指標要求，具體如表2所示。

表2 DBFA仿真結果分析

由圖7可知：DBFB仿真最高殼溫為N4芯片的71.46 ℃；結合芯片的結殼熱阻進行分析，芯片最高結溫為D3芯片的77.76 ℃。DBFB所有芯片結溫均滿足不大于85 ℃指標要求，具體如表3所示。

圖7 DBFB芯片表面溫度

表3 DBFB仿真結果分析

4 試驗驗證

星載DBF單機結構加工完成后，設計模擬熱源，開展熱真空模擬測試，驗證熱設計方案。因DBFA與DBFB熱源大小及結構基本一致，因此僅對DBFA進行了熱測試。如圖8所示，在真空試驗箱內將DBFA結構殼體安裝在恒溫冷板上，在安裝面保持恒溫55 ℃的條件下,對各模擬熱源的殼溫進行監測，以驗證熱設計的效果。

圖8 熱真空測試試驗

經驗證，熱真空試驗過程中所有芯片均能正常工作，主要功率芯片的結溫監測結果和仿真結果對比如表4所示。

表4中，模擬熱源的殼溫與仿真結果基本一致，偏差不大于2 ℃。溫度偏差主要是由于均熱板采用當量導熱系數等效，接觸熱阻與仿真設置可能也有偏差等導致。但根據試驗結果，采用均熱板顯著降低了傳導熱阻，功率器件均能滿足一級降額工作的要求。

表4 熱真空試驗與仿真結果對比

5 結束語

本文在某DBF單機熱設計中，采用了與模塊殼體一體化的鋁制均熱板方案，減輕了設備重量，提升了熱傳導性能。熱仿真分析和熱真空試驗的結果表明鋁制均熱板大幅降低了傳導溫差，滿足了設備一級降額的熱控需求。本文采用與模塊殼體一體化設計的鋁制均熱板方案，為星載電子設備熱設計方案優化、減輕設備重量等提供了新的設計思路，對星載電子設備熱設計具有很好的借鑒意義。