遙感器焦面電路熱設(shè)計(jì)改進(jìn)的模擬試驗(yàn)

連新昊 王偉奇 黃巧林 徐娜娜

（北京空間機(jī)電研究所，北京 100076）

1 引言

空間光學(xué)遙感器為航天遙感衛(wèi)星的主要有效載荷，當(dāng)遙感器在軌工作時(shí)，內(nèi)部電子設(shè)備產(chǎn)生一定的熱量，成為遙感器的內(nèi)熱源，其中焦面電路是重要內(nèi)熱源之一[1-2]。隨著遙感器設(shè)計(jì)指標(biāo)的不斷提高，焦面電路設(shè)計(jì)中采用了越來(lái)越多的高速器件，這些高速器件工作時(shí)消耗大量電能，并轉(zhuǎn)化為熱能。這部分熱量若不及時(shí)排散出去，會(huì)引起電子元器件的溫升，從而對(duì)電子元器件壽命、可靠性產(chǎn)生不利影響。有研究表明，超過(guò)55%的電子設(shè)備的失效形式是由溫度過(guò)高引起的[3]，單個(gè)半導(dǎo)體元件的溫度在70℃～80℃水平上每升高1℃，系統(tǒng)的可靠性將降低5%[4]，因此電子器件的熱可靠性設(shè)計(jì)在電子器件發(fā)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(duì)其焦面電路進(jìn)行有效的熱設(shè)計(jì)，并進(jìn)行驗(yàn)證。驗(yàn)證的方法主要是仿真分析與試驗(yàn)，有關(guān)熱仿真分析的公開(kāi)報(bào)道的文獻(xiàn)較多[5]，這里不再一一贅述。熱試驗(yàn)是航天電子產(chǎn)品研制的一項(xiàng)重要內(nèi)容，但同時(shí)航天產(chǎn)品又有造價(jià)高、交付周期短、產(chǎn)品質(zhì)量管理嚴(yán)格等特點(diǎn)，沒(méi)有條件利用正式產(chǎn)品反復(fù)進(jìn)行熱設(shè)計(jì)驗(yàn)證工作。本文針對(duì)此矛盾，提出了利用模擬試驗(yàn)方法進(jìn)行熱設(shè)計(jì)驗(yàn)證的思路。在模擬熱試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的了原熱設(shè)計(jì)不足之處，提出了具體改進(jìn)措施，并再次進(jìn)行了試驗(yàn)研究，驗(yàn)證了改進(jìn)措施的有效性。

2 傳統(tǒng)熱設(shè)計(jì)及試驗(yàn)驗(yàn)證

某遙感器焦面電路有CCD電路、驅(qū)動(dòng)電路兩塊電路板組成，兩塊電路板上均布置有一定數(shù)量的電子元器件，電子元器件的功耗、數(shù)量、外形尺寸等參數(shù)詳見(jiàn)表1，兩塊電路板尺寸均為：190mm長(zhǎng)、110mm寬、2mm厚。出于對(duì)電性能的考慮，電子學(xué)工程師在進(jìn)行電路設(shè)計(jì)時(shí)，把驅(qū)動(dòng)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(jiàn)圖1。

表1 某遙感器焦面電路電子元器件參數(shù)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(tǒng)熱設(shè)計(jì)

按照航天電子產(chǎn)品熱設(shè)計(jì)的一般原則[6]，焦面電路熱設(shè)計(jì)的基本思路是建立從發(fā)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(fā)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(qū)動(dòng)電路板的正面之間，詳見(jiàn)圖1（b）、（c）。這些器件的散熱問(wèn)題是熱設(shè)計(jì)成敗的關(guān)鍵。

具體的熱設(shè)計(jì)為：通過(guò)一塊散熱板將圖1（b）、（c）所示器件的熱量導(dǎo)至電路盒殼體。散熱板采用導(dǎo)熱系數(shù)較高且密度較輕的鋁合金材料制成，在發(fā)熱器件對(duì)應(yīng)的散熱板位置上加工出凸臺(tái)結(jié)構(gòu)，器件的熱量通過(guò)凸臺(tái)導(dǎo)至散熱板，進(jìn)而通過(guò)散熱板導(dǎo)至電路盒殼體。在與電路板平行的電路盒殼體的內(nèi)表面上加工出凸臺(tái)（見(jiàn)圖2），用于CCD電路板反面和驅(qū)動(dòng)電路板正面器件的散熱。所有器件與凸臺(tái)的安裝面有需要有TIM填充[7]，TIM材料選用彈性導(dǎo)熱硅橡膠墊[8]。選用彈性硅橡膠墊主要有兩個(gè)作用：1）作為T(mén)IM材料起增強(qiáng)導(dǎo)熱作用；2）緩沖由于振動(dòng)、熱應(yīng)力造成的對(duì)電子元器件的沖擊。

通過(guò)以上設(shè)計(jì)，各器件的主要傳熱路徑詳見(jiàn)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(qū)動(dòng)電路盒內(nèi)部散熱設(shè)計(jì)及試驗(yàn)實(shí)物圖Fig.2 Thermal design and photos of driving circuit box

2.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證熱設(shè)計(jì)的有效性，進(jìn)行了模擬試驗(yàn)。從表1中可看到，CCD電路板平均熱流密度284W/m2，而驅(qū)動(dòng)電路板由于器件多、發(fā)熱量大，平均熱流密度高達(dá)1 104W/m2，因此試驗(yàn)以驅(qū)動(dòng)電路板為重點(diǎn)研究對(duì)象。

（1）試驗(yàn)系統(tǒng)組成

試驗(yàn)系統(tǒng)由試驗(yàn)驅(qū)動(dòng)電路盒、測(cè)溫系統(tǒng)、冷源（制冷機(jī)組、冷板）、電源組成。試驗(yàn)驅(qū)動(dòng)電路盒內(nèi)部電路板表面貼加熱片模擬電子元器件發(fā)熱；布置熱電偶測(cè)溫，溫度數(shù)據(jù)由安捷倫數(shù)據(jù)采集器（34980A）完成采集與顯示、記錄。電路盒表面（靠近驅(qū)動(dòng)電路板一側(cè)）安裝在冷板上，控制冷板溫度模擬其溫度邊界。試驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)物見(jiàn)圖3。為了減小空氣對(duì)流對(duì)試驗(yàn)的影響，電路盒周?chē)M(jìn)行了遮擋。

圖3 試驗(yàn)系統(tǒng)圖Fig.3 Picture of test system

（2）試驗(yàn)驅(qū)動(dòng)電路盒內(nèi)部熱控技術(shù)狀態(tài)

試驗(yàn)驅(qū)動(dòng)電路盒由驅(qū)動(dòng)電路板、CCD電路板、電路盒殼體組成。根據(jù)電子元器件封裝的熱特性[9-10]，用鋁塊（條）模擬驅(qū)動(dòng)電路板上的電子元器件熱容、其發(fā)熱由加熱片模擬。加熱片貼在模擬驅(qū)動(dòng)電路板表面上，加熱片表面貼鋁塊（條），其正面發(fā)熱量通過(guò)電路盒凸臺(tái)導(dǎo)至電路盒殼體、背面發(fā)熱量通過(guò)內(nèi)部散熱鋁板（加工出散熱凸臺(tái)結(jié)構(gòu)）導(dǎo)至電路盒殼體，鋁塊（條）與凸臺(tái)之間填充彈性導(dǎo)熱硅橡膠墊，詳見(jiàn)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(fā)熱。

（3）試驗(yàn)結(jié)果及分析

進(jìn)行了約48min的加電測(cè)試，冷板溫度控制在25℃。主要測(cè)點(diǎn)溫度變化曲線如圖4所示。

圖4 各測(cè)點(diǎn)溫度變化曲線Fig.4 Temperature curves at each testing position

從圖4中可看到，驅(qū)動(dòng)電路板上的E器件測(cè)點(diǎn)溫度最高，達(dá)到約63℃；C器件測(cè)點(diǎn)次之，達(dá)到約58℃；D測(cè)點(diǎn)器件達(dá)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(qū)動(dòng)電路上測(cè)點(diǎn)最高溫升高達(dá)約38℃，且與電路盒殼體溫差較大，說(shuō)明其熱量沒(méi)有有效的導(dǎo)至電路盒殼體，造成器件溫升過(guò)大，需要重點(diǎn)加強(qiáng)其散熱設(shè)計(jì)；驅(qū)動(dòng)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(guò)了功耗更大的C、D器件，是問(wèn)題的癥結(jié)所在。

3 改進(jìn)后的熱設(shè)計(jì)及試驗(yàn)驗(yàn)證

針對(duì)傳統(tǒng)熱設(shè)計(jì)試驗(yàn)結(jié)果及分析，找到了散熱問(wèn)題的癥結(jié)，進(jìn)而對(duì)熱設(shè)計(jì)作出相應(yīng)改進(jìn)，重新建立了發(fā)熱器件至電路盒殼體之間的傳熱路徑，并對(duì)此改進(jìn)措施進(jìn)行了驗(yàn)證。

3.1 改進(jìn)后的熱設(shè)計(jì)

1）將原設(shè)計(jì)中排布在驅(qū)動(dòng)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(diào)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(yīng)位置新增加散熱凸臺(tái)為調(diào)整布局的14片器件散熱，如圖5所示；

3）由于在1）中將驅(qū)動(dòng)電路板背面器件排布到了電路板正面，原設(shè)計(jì)中的散熱鋁板失去了作用對(duì)象，若保留反而會(huì)起到阻礙內(nèi)部熱交換的不利影響，故將其取消。

圖5 熱設(shè)計(jì)改進(jìn)后的實(shí)物及模型圖Fig.5 Photo and model drawing of improved thermal design system

改進(jìn)熱設(shè)計(jì)與原熱設(shè)計(jì)相比，驅(qū)動(dòng)電路板上器件主要散熱路徑發(fā)生了根本變化，所有器件散熱途徑均簡(jiǎn)化為：器件→導(dǎo)熱墊→電路盒殼體（凸臺(tái)）。

3.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證熱設(shè)計(jì)改進(jìn)的效果，與傳統(tǒng)方法進(jìn)行對(duì)比。試驗(yàn)加電時(shí)間、器件功耗、冷板溫度、溫度測(cè)點(diǎn)布置等條件均不變。主要測(cè)點(diǎn)溫度變化曲線如圖6所示。

圖6 熱設(shè)計(jì)改進(jìn)后各測(cè)點(diǎn)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(fā)現(xiàn)，相比熱設(shè)計(jì)改進(jìn)前，驅(qū)動(dòng)電路板上的C器件、D器件、E器件及CCD電路測(cè)點(diǎn)溫度均有了大幅度的下降，具體詳見(jiàn)表3。

表3 兩次試驗(yàn)溫度數(shù)據(jù)對(duì)比Tab.3 Comparision betwen the tests before and after improvement ℃

通過(guò)改進(jìn)熱設(shè)計(jì)，驅(qū)動(dòng)電路盒內(nèi)部電路板溫度有了大幅度降低，說(shuō)明了改進(jìn)后熱設(shè)計(jì)的有效性。改進(jìn)的熱設(shè)計(jì)將驅(qū)動(dòng)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(dǎo)熱關(guān)系，大大降低了熱阻，滿足了引言所述的航天電子設(shè)備散熱設(shè)計(jì)的一般原則要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)某空間光學(xué)遙感器焦面電路熱設(shè)計(jì)實(shí)例，開(kāi)展了相關(guān)試驗(yàn)。在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)該熱設(shè)計(jì)的不足之處，提出了改進(jìn)措施并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。通過(guò)兩次試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比，驗(yàn)證了熱設(shè)計(jì)改進(jìn)措施的有效性。該熱設(shè)計(jì)工作經(jīng)歷了熱設(shè)計(jì)→試驗(yàn)驗(yàn)證→改進(jìn)熱設(shè)計(jì)→再次驗(yàn)證的螺旋上升過(guò)程，深刻體現(xiàn)了熱設(shè)計(jì)過(guò)程的曲折性與試驗(yàn)驗(yàn)證的重要性。

本文熱設(shè)計(jì)改進(jìn)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(dǎo)熱關(guān)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(shè)計(jì)方法值得推廣應(yīng)用。

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