金屬芯印制板在相機(jī)電路中的散熱應(yīng)用

肖龍 賀強(qiáng)民 李濤 徐偉玲 劉濤

（北京空間機(jī)電研究所，北京 100094）

金屬芯印制板在相機(jī)電路中的散熱應(yīng)用

肖龍 賀強(qiáng)民 李濤 徐偉玲 劉濤

（北京空間機(jī)電研究所，北京 100094）

隨著星載相機(jī)視頻電子學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，相機(jī)性能指標(biāo)不斷提升，電路板的功率密度越來越大。如果電路板散熱問題無法解決，勢(shì)必會(huì)造成器件性能下降，進(jìn)而影響相機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，甚至導(dǎo)致整個(gè)任務(wù)失敗。文章分析了星載相機(jī)視頻電路目前幾種不同的電路散熱方式，提出金屬銅芯印制板的散熱方案，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，同種條件下金屬銅芯印制板的散熱效率顯著高于耐燃環(huán)氧玻璃布印制板，為星載相機(jī)視頻電路散熱提供新的解決方案。

視頻電路 金屬芯印制板 熱設(shè)計(jì) 熱阻 空間相機(jī)

0 引言

隨著星載相機(jī)性能指標(biāo)的提升，大規(guī)模集成電路和表面貼裝技術(shù)，在視頻電路產(chǎn)品中得到廣泛地應(yīng)用，電路不斷向小型化、輕量化、多功能、高性能、高速度和高可靠性方向發(fā)展。由于器件密度的不斷增加，使得電路板上的熱流密度不斷增大。對(duì)于半導(dǎo)體器件而言，溫度過高會(huì)引起電性能變化，結(jié)溫每升10℃，故障概率便提高一倍[1]，嚴(yán)重時(shí)可會(huì)導(dǎo)致熱擊穿，如果散熱問題解決不到位，勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致電路中器件性能指標(biāo)不穩(wěn)定，進(jìn)而影響相機(jī)的穩(wěn)定性和可靠性，甚至造成任務(wù)失敗。因此電路板的散熱問題尤為突出，必須高度重視。

目前星載相機(jī)視頻電路使用的散熱方法，已不能滿足后續(xù)視頻電路散熱需求，亟需一種新的散熱解決方法，本文討論了星載相機(jī)常見的幾種散熱形式，提出金屬銅芯印制板散熱方案，并進(jìn)行了設(shè)計(jì)仿真及驗(yàn)證工作，成功應(yīng)用在視頻電路中。

1 傳統(tǒng)散熱方式

電路中的熱量主要來自電子元器件的發(fā)熱、PCB本身的發(fā)熱、以及外部傳導(dǎo)的熱。三者之中，電子元器件發(fā)熱量最大，為主要考慮的散熱對(duì)象。熱阻對(duì)于熱設(shè)計(jì)而言，具有非常重要的意義，熱設(shè)計(jì)的目的就是要減小傳熱路徑上的熱阻，使得熱量迅速傳導(dǎo)到熱沉（如散熱器或者機(jī)箱結(jié)構(gòu)）。電子元器件結(jié)片至熱沉之間的總熱阻可劃分為器件級(jí)、組裝級(jí)和系統(tǒng)級(jí)。器件級(jí)熱阻又稱為內(nèi)阻，組裝級(jí)熱阻又稱為外阻，系統(tǒng)級(jí)熱阻又稱為最終熱阻。內(nèi)外熱阻與器件結(jié)溫的關(guān)系為元器件結(jié)溫和熱阻之間的關(guān)系：

式中 Tj為器件結(jié)溫；Pd為器件功耗；Rjc，Rcs，Rsa，分別為結(jié)到外殼的熱阻、外殼到散熱器的熱阻、散熱器到整機(jī)的熱阻；T0為初始溫度。Rjc為器件固有特性值，因此減小熱阻只能從Rcs，Rsa入手。

器件安裝方式對(duì)散熱有著重要影響，不同的安裝方式，對(duì)應(yīng)的散熱方式也不盡相同，下文針對(duì)常用的三種散熱方式進(jìn)行了分析。

1.1 結(jié)構(gòu)凸臺(tái)

如果元器件外殼表面與電路板直接接觸，且安裝在正面位置，這種安裝方式可以采用蓋板凸臺(tái)形式散熱[2]。凸臺(tái)散熱是根據(jù)電路中所需散熱器件的位置，在對(duì)應(yīng)蓋板位置增加散熱凸臺(tái)，使用導(dǎo)熱絕緣墊與凸臺(tái)接觸，其熱阻模型圖1所示。

圖1 凸臺(tái)散熱及其熱阻模型Fig.1 Heat dissipation and thermal resistance model of boss structure

圖中Tc為器件殼溫；Ta為機(jī)箱結(jié)構(gòu)殼溫；Rcb為器件殼到電路板接觸熱阻；Rck為器件殼到引腳接觸熱阻和引腳熱阻之和；Rkb為器件引腳到電路板接觸熱阻；Rb為器件位置到印制板邊緣熱阻；Rba為電路板到機(jī)箱結(jié)構(gòu)的接觸熱阻；Rct1為器件殼體到導(dǎo)熱墊的接觸熱阻；Rd為導(dǎo)熱墊熱阻；Rct2為導(dǎo)熱墊到散熱器（凸臺(tái)）接觸熱阻；Rt為散熱器（凸臺(tái)）熱阻；Rta為散熱器（凸臺(tái)）到機(jī)箱結(jié)構(gòu)的接觸熱阻。

根據(jù)圖1可得結(jié)構(gòu)凸臺(tái)熱阻模型Rca1：

凸臺(tái)與蓋板一體，材料一般為鋁合金，與機(jī)箱使用若干螺釘緊固，接觸面積充分，熱阻Rta很小，因此減小凸臺(tái)到器件熱阻非常關(guān)鍵。凸臺(tái)與器件散熱面之間不能直接接觸，必須使用導(dǎo)熱絕緣墊，那么其導(dǎo)熱系數(shù)，以及安裝方式?jīng)Q定了熱阻的大小。

此種散熱方式需要結(jié)構(gòu)和電路板設(shè)計(jì)協(xié)同工作，凸臺(tái)的數(shù)量、位置、高度、面積，以及導(dǎo)熱墊厚度，都與電路板緊密相連，還需要考慮裝配誤差等等，給電路設(shè)計(jì)、制板和裝配帶來諸多困難。

1.2 導(dǎo)熱條

如果元器件的引線直接焊裝在印制板上，其外殼不與電路板接觸，這種安裝方式可使用導(dǎo)熱條散熱[3]。導(dǎo)熱條的材料一般為銅，有兩種安裝形式：一種為導(dǎo)熱條安裝在器件頂部，另一端與機(jī)箱相連，如圖2（a）所示；另一種為元器件通過導(dǎo)熱條安裝到電路板上，導(dǎo)熱條的另一端與機(jī)箱相連，主要通過器件底部導(dǎo)熱，如圖2（b）所示。元器件與導(dǎo)熱條之間使用粘性導(dǎo)熱絕緣墊，此情況下的熱阻模型見圖2（c）所示。

圖2 導(dǎo)熱條以及其熱阻模型Fig.2 Heat conduction strip and its thermal resistance model

圖中Rct1為器件殼體到導(dǎo)熱墊的接觸熱阻；Rd為導(dǎo)熱墊熱阻；Rct2為導(dǎo)熱墊到散熱器（導(dǎo)熱條）的接觸熱阻；Rt為散熱器（導(dǎo)熱條）熱阻；Rta為散熱器（導(dǎo)熱條）到機(jī)箱結(jié)構(gòu)的接觸熱阻。

根據(jù)圖2可得導(dǎo)熱條熱阻模型Rca2：

導(dǎo)熱條的材料，橫截面積和長度決定了Rt，導(dǎo)熱條與機(jī)箱結(jié)構(gòu)的安裝方式?jīng)Q定了Rta，而元器件殼體與導(dǎo)熱條之間的熱阻也非常關(guān)鍵，導(dǎo)熱墊的導(dǎo)熱系數(shù)以及配裝方式?jīng)Q定了熱阻大小。

此種散熱方式需要器件、導(dǎo)熱條與結(jié)構(gòu)配裝。導(dǎo)熱條既要和導(dǎo)熱墊、器件良好接觸，還不能對(duì)器件管腳施加過大應(yīng)力。為了固定導(dǎo)熱條，需要在印制板預(yù)留固定孔位，這樣會(huì)影響布局布線，不適用高密度電路板。此外必須考慮導(dǎo)熱條在振動(dòng)時(shí)，對(duì)器件管腳的影響。

1.3 熱管

熱管就是利用蒸發(fā)制冷，使得熱管兩端溫度差很大，使熱量快速傳導(dǎo)。一般熱管由管殼、吸液芯和端蓋組成。熱管內(nèi)部被抽成負(fù)壓狀態(tài)，充入適當(dāng)?shù)囊后w，這種液體沸點(diǎn)低，容易揮發(fā)。管壁有吸液芯，其由毛細(xì)多孔材料構(gòu)成。熱管一端為蒸發(fā)段，另外一端為冷凝段，當(dāng)熱管蒸發(fā)段受熱時(shí)，毛細(xì)管中的液體迅速蒸發(fā)，蒸汽在微小的壓力差下流向另外一端，并且釋放出熱量，重新凝結(jié)成液體，液體再沿多孔材料靠毛細(xì)力的作用流回蒸發(fā)段，如此循環(huán)不止，熱量由熱管一端傳至另外一端。這種循環(huán)是快速進(jìn)行的，熱量可以被源源不斷地傳導(dǎo)。

星載相機(jī)中，大功耗的CCD通常采用熱管技術(shù)[4]，熱管的傳熱效率是紫銅的數(shù)百倍，在CCD器件背面安裝微型熱管，并結(jié)合外貼熱管的散熱方式，可以迅速將CCD器件工作時(shí)產(chǎn)生的熱量導(dǎo)出。雖然熱管有著極高的導(dǎo)熱性，但是熱管在國內(nèi)還沒有真正的標(biāo)準(zhǔn)化定義和模式，而且針對(duì)小型元器件或者印制板等級(jí)的熱管還沒有發(fā)展成熟，所以熱管在印制板散熱方面的應(yīng)用還需要一定的時(shí)間。

2 散熱印制板

2.1 散熱印制板簡介

目前廣泛應(yīng)用的PCB板材是覆銅/環(huán)氧玻璃布基材，這類基材具有優(yōu)良的電氣性能和加工性能，但散熱性能差，發(fā)熱器件只能從PCB傳導(dǎo)出少部分熱量。隨著視頻電路的小型化、高密度化和高功耗化，芯片以及PCB的熱流密度急劇增加，那么如何提高PCB與發(fā)熱器件的散熱能力，如何提高PCB與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的散熱能力，成為目前電路散熱需要解決的主要問題，而散熱印制板的使用便可以解決上述問題。

（1）高導(dǎo)熱基材印制板

表1列出了各種基板材料的導(dǎo)熱系數(shù)。

表1 各基材導(dǎo)熱系數(shù)Tab.1 Thermal conductivity of base material

普通環(huán)氧玻璃布類板材，其導(dǎo)熱系數(shù)只有0.2W/(m·)℃，過低的導(dǎo)熱系數(shù)無法滿足高功耗電路的要求。高導(dǎo)熱基材電路，主要依靠基板材料內(nèi)介質(zhì)層的高導(dǎo)熱樹脂，或者添加高導(dǎo)熱填料（如氮化硼粉），導(dǎo)熱系數(shù)能提高到1.0W/(m·)℃[5]。使用金屬基材，導(dǎo)熱系數(shù)可以提高到4.0～5.0W/(m·)℃。目前荒川化學(xué)公司推出的高導(dǎo)熱基材（TC100/101），導(dǎo)熱系數(shù)6.0～7.0W/(m·)℃，并具有低熱阻、低熱膨脹系數(shù)和高結(jié)合力[6]。

各種高導(dǎo)熱的覆銅箔層壓板基材，按照傳統(tǒng)的制造工藝和生產(chǎn)技術(shù)來完成各類導(dǎo)熱印制板。這些印制板的導(dǎo)熱能力好于傳統(tǒng)印制板，但與金屬芯、金屬基印制板的散熱能力相比還存在一定差距，大多用于低等級(jí)散熱的高端工業(yè)電子領(lǐng)域，不太適合于高可靠性要求的航天領(lǐng)域[7]。

（2）金屬基印制板

由于金屬具有好的導(dǎo)熱性能，如果把印制線路等貼壓在涂覆有導(dǎo)熱絕緣的金屬基上，則印制板內(nèi)的熱量便可以通過高導(dǎo)熱絕緣層，迅速傳遞到金屬基板而散發(fā)出去，從而降低印制板的溫度。它的核心技術(shù)是使用高導(dǎo)熱絕緣樹脂膠膜來替代傳統(tǒng)的環(huán)氧玻璃布介質(zhì)層，使普通基板變成高導(dǎo)熱基板[8]。但金屬基印制板只能在一面安裝元器件，因此只適合于低密度的印制板，無法滿足高密度印制板的需求。

（3）金屬芯印制板

隨著材料科學(xué)和加工工藝的不斷發(fā)展與完善，金屬芯印制板得到了廣泛應(yīng)用，如在美國、日本等國家，交換機(jī)之類的電子設(shè)備上已大量使用，在相同的外界環(huán)境條件下，這種印制板的散熱效果與其它的印制板相比要提高一個(gè)數(shù)量級(jí)[9]，它代表了當(dāng)今世界上高功耗電子組裝的較高水平。

金屬芯印制板是指在多層板的某一平面層使用導(dǎo)熱金屬，比如銅，通過金屬銅芯向外散熱或者直接與外接散熱裝置相連起到快速散熱的效果。當(dāng)電路密度較高時(shí)，有雙面表面貼裝技術(shù)（Surface Mount Technology，STM）要求或者通孔插裝元器件較多時(shí)，就必須采用高導(dǎo)熱金屬芯多層板實(shí)現(xiàn)。將導(dǎo)熱性較好的金屬嵌入多層印制板中間，其上下層可以通過金屬化孔互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)熱量在金屬芯內(nèi)層和表面?zhèn)鬟f。一般的金屬芯印制板結(jié)構(gòu)見圖3（a）和圖3（b），金屬銅芯印制板器件熱阻Rca3模型見圖3（c）所示。器件外殼與銅芯直接接觸，而銅芯與機(jī)箱結(jié)構(gòu)多面接觸。

圖3 金屬芯印制板結(jié)構(gòu)以及熱阻模型Fig.3 Structure and thermal resistance model of metal-core PCB

圖中Rct1_core為器件殼體到金屬銅芯的接觸熱阻；Rt為散熱器（金屬銅芯）熱阻；Rta為散熱器（金屬銅芯）到機(jī)箱結(jié)構(gòu)的接觸熱阻。

2.2 金屬芯印制板優(yōu)勢(shì)

為了更好地進(jìn)行對(duì)比，可將凸臺(tái)，導(dǎo)熱條和金屬芯三種形式的熱阻模型進(jìn)行簡化處理。對(duì)于凸臺(tái)和導(dǎo)熱條，器件絕大部分熱量通過散熱器導(dǎo)出，暫不考慮器件與散熱配件的接觸熱阻，簡化熱阻模型如圖4（a）所示。金屬芯印制板簡化熱阻模型如圖4（b）所示。

圖4 簡化的熱阻模型Fig.4 Simplified thermal resistance model

凸臺(tái)和導(dǎo)熱條熱阻簡化后為

金屬芯印制板熱阻簡化后為

下面對(duì)三種散熱形式的熱阻情況進(jìn)行估算，現(xiàn)設(shè)定散熱器件，電路外形，電路結(jié)構(gòu)外框以及所處環(huán)境等一致，器件處于電路中心位置，且器件與散熱器接觸充分。設(shè)電路外形為200mm×200mm，器件長寬為20mm×20mm，結(jié)構(gòu)托框與電路安裝的接觸寬度為5mm。在上述條件下分別計(jì)算導(dǎo)熱墊熱阻Rd，散熱器熱阻Rt，散熱器到機(jī)箱結(jié)構(gòu)的接觸熱阻Rta。下文中熱阻與導(dǎo)熱系數(shù)的關(guān)系為，其中h為導(dǎo)熱系數(shù)，A為接觸面積。

1）導(dǎo)熱墊熱阻Rd。凸臺(tái)和導(dǎo)熱條與器件之間均采用絕緣導(dǎo)熱墊，其導(dǎo)熱系數(shù)約為1W/(m·)℃，厚度1mm。金屬芯印制板器件與銅芯直接接觸。三者接觸面積均為400mm2。

2）散熱器熱阻Rt。鋁合金的凸臺(tái)蓋板厚度為1mm，長寬200mm×200mm，鋁合金導(dǎo)熱系數(shù)一般在120W/(m·)℃；銅導(dǎo)熱條厚度為1mm，長寬100mm×20mm；金屬銅芯厚度2mm，長寬200mm×200mm。

3）散熱器到機(jī)箱結(jié)構(gòu)的接觸熱阻Rta。固體之間的接觸導(dǎo)熱系數(shù)，可以通過基于粗糙度理論的計(jì)算方法預(yù)估[10]，各個(gè)接觸界面機(jī)加后的粗糙度不大于10μm，取實(shí)際接觸面積占名義接觸面積的0.01%。凸臺(tái)蓋板與機(jī)箱為四周壓接，螺釘緊固，接觸導(dǎo)熱系數(shù)預(yù)估為600W/(m·)℃，接觸面積為4 000mm2；導(dǎo)熱條與機(jī)箱接觸導(dǎo)熱系數(shù)預(yù)估為923W/(m·)℃，接觸面積為20mm×5mm=100mm2；金屬銅芯與機(jī)箱接觸導(dǎo)熱系數(shù)預(yù)估為923W/(m·)℃，接觸面積為800mm×5mm=4 000mm2。

在該設(shè)定的相同條件下，由上述參數(shù)可得到三種形式的各種熱阻數(shù)值，以及散熱器的質(zhì)量，見表2。

表2 設(shè)定條件下三種形式的熱阻值Tab.2 Thermal resistances of boss structure, heat conduction strip and metal-core PCB under setting conditions

從表2可以看出，金屬芯印制板相比于傳統(tǒng)散熱方式，在散熱方面有著無法比擬的優(yōu)勢(shì)。金屬芯印制板能夠提高產(chǎn)品功率密度，減少了散熱器和其它硬件(包括熱界面材料)的裝配，縮小了產(chǎn)品體積，降低硬件及裝配成本，提高了可靠性，一定程度上可以屏蔽電磁波，減小電磁干擾。

由于銅密度較大，金屬銅芯印制板相對(duì)于同種印制板而言，產(chǎn)品質(zhì)量明顯增加，但綜合考慮常規(guī)印制板附帶散熱器以及裝配件的質(zhì)量，金屬芯印制板并不會(huì)帶來過多的質(zhì)量?？梢钥紤]以下兩種方案：1）選擇合適銅芯厚度，表2中0.3mm厚銅芯印制板與蓋板凸臺(tái)質(zhì)量相近，如果銅芯不與結(jié)構(gòu)相連，銅芯厚度可以更小，類似于厚銅印制板；2）選擇金屬鋁芯印制板，只要鋁芯厚度要小于蓋板厚度，其質(zhì)量便不會(huì)超過蓋板凸臺(tái)散熱形式的質(zhì)量。

3 銅芯印制板設(shè)計(jì)與熱仿真

3.1 電路設(shè)計(jì)

以某電源轉(zhuǎn)換電路為例，該電路使用了多片低壓差穩(wěn)壓器（Low Dropout Regulators，LDO），現(xiàn)對(duì)此電路進(jìn)行金屬芯電路設(shè)計(jì)，按照一定的PCB設(shè)計(jì)要求及工藝要求并適當(dāng)改進(jìn)。電路板尺寸為350mm×240mm，金屬芯材質(zhì)為紫銅，厚度為2mm。電路頂層和底層為走線信號(hào)層，中間的金屬銅芯比信號(hào)層尺寸大，且與電路地層不相連。金屬銅芯寬出部分與主體結(jié)構(gòu)相接，器件90°安裝可直接與銅芯接觸安裝，之間縫隙可用較薄的導(dǎo)熱硅脂填充，如圖5所示。

對(duì)于PCB設(shè)計(jì)而言，與普通印制板設(shè)計(jì)有所不同，其涉及結(jié)構(gòu)、材料、電性能和工藝等多個(gè)方面，特別應(yīng)用于航天產(chǎn)品，設(shè)計(jì)與加工要求更為嚴(yán)格?；綪CB設(shè)計(jì)需要注意以下幾點(diǎn)：1）最小過孔大小要求，孔徑與板厚比要求；2）過孔壁與過孔壁之間的間距要求；3）金屬芯過孔避讓要求；4）過孔到走線的間距要求；5）導(dǎo)線到板邊距離要求；6）發(fā)熱器件外殼與內(nèi)部電路絕緣要求。

圖5 改進(jìn)型的金屬芯電路Fig.5 Improved metal-core PCB

對(duì)于金屬銅芯而言，需要注意以下幾點(diǎn)：1）金屬芯位于疊層中間，整個(gè)疊層采用對(duì)稱結(jié)構(gòu)，走線層、平面層均以金屬芯為中心對(duì)稱；2）金屬芯厚度盡可能選擇標(biāo)準(zhǔn)厚度，如常規(guī)1.0mm，每隔0.5mm遞增；3）依據(jù)信號(hào)走線層尺寸，可得金屬銅芯尺寸，金屬銅芯寬出部分，根據(jù)結(jié)構(gòu)位置安裝而定；4）精密數(shù)控機(jī)加紫銅，得到壓合之前的金屬銅芯，然后進(jìn)行熱處理釋放應(yīng)力[11]，校平，需要單獨(dú)平放；5）熱處理之后需要除去銅板上附著的油脂，除油之后進(jìn)行鉆孔并去毛刺拋光，最后進(jìn)行疊層壓合。

3.2 熱仿真

印制電路板的熱分析就是根據(jù)印制板的結(jié)構(gòu)及原材料、元器件的封裝形式、印制板的工作環(huán)境等條件，建立元器件的熱模型，設(shè)置仿真控制參數(shù)，對(duì)印制電路板的熱行為進(jìn)行估值計(jì)算。從熱分析的結(jié)果中可得出元器件溫度、板溫度。本文選用電子行業(yè)熱分析的標(biāo)準(zhǔn)軟件Flotherm進(jìn)行仿真。

設(shè)定尺寸小于3mm的小型元器件被濾除，不做熱分析。發(fā)熱器件產(chǎn)生功率設(shè)定為5.5W，發(fā)射率設(shè)為1。雙列直插式焊接框架、裸芯片、裸片外延以及外殼部分等器件被模型化為精確模型。設(shè)定外部環(huán)境的空氣溫度、印制電路板周圍的空氣移動(dòng)速率等等。建模完成后，得到了圖6和圖7的仿真結(jié)果。圖6為電路板在自然空氣中的仿真結(jié)果，6個(gè)器件的殼溫范圍是71℃到77.4℃，這其中包括了空氣自然對(duì)流對(duì)印制電路板的影響。圖7為將電路板置入密閉空間的仿真結(jié)果，芯片的殼溫增長了大約10℃，此時(shí)殼溫的范圍是89℃到96℃。此種情況下忽略空氣自然對(duì)流的影響。

圖6 對(duì)流情況下仿真結(jié)果Fig.6 Simulation results with convection

圖7 無對(duì)流情況下仿真結(jié)果Fig.7 Simulation results without convection

4 測試與結(jié)果

4.1 測試過程

測溫方式一般分為接觸測溫和非接觸測溫。其中接觸測溫要與被測物體緊密接觸，這樣可能會(huì)對(duì)被測物體本身的溫度分布產(chǎn)生影響。對(duì)帶電金屬芯電路板進(jìn)行實(shí)時(shí)測溫，可選擇非接觸測溫。非接觸測溫法目前比較成熟的為輻射測溫法[12]，該方法利用來自物體的輻射能照射到檢測元件并傳入熱像系統(tǒng)。本次試驗(yàn)選用紅外熱成像儀對(duì)待測電路板進(jìn)行測溫。

為了盡量減小背景對(duì)測溫精度所造成的影響，在選擇測溫背景的時(shí)候需要選擇導(dǎo)熱性差，溫度與環(huán)境溫度接近的背景。熱像儀與被測電路板之間的距離盡可能拉近。為了減小空氣流動(dòng)對(duì)測溫影響，制作了一個(gè)類密閉測試箱，測試箱的尺寸和箱壁厚度參考對(duì)金屬芯板做熱仿真時(shí)的數(shù)據(jù)。試驗(yàn)系統(tǒng)見圖8。

圖8 試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.8 Schematic diagram of test system

4.2 結(jié)果與分析

為了更好地進(jìn)行對(duì)比，現(xiàn)分別對(duì)該電路的耐燃環(huán)氧玻璃布（Flame-Retardant 4，F(xiàn)R-4）印制板、銅芯和鋁芯印制板進(jìn)行了加電試驗(yàn)。

低壓差線性穩(wěn)壓器設(shè)定電壓輸入16V，調(diào)整輸出電壓為5V，輸出分別連接6路電子負(fù)載，電子負(fù)載輸出設(shè)定為0.5A，因此單片LDO功率為5.5W，整板總功率達(dá)到33W。在環(huán)境溫度為21℃情況下，F(xiàn)R-4印制板加電3min后，器件的殼溫達(dá)到最高溫度121℃。金屬銅芯電路板加電40min后，器件的殼溫達(dá)到最高溫度68.2℃。熱平衡后紅外熱像儀所攝圖像如圖9所示。

圖9 FR-4、鋁芯、銅芯熱平衡圖Fig.9 Heat balance diagram of FR-4, aluminum core and copper core

圖10 為三種電路板加電后某一片LDO殼溫隨時(shí)間變化的曲線，F(xiàn)R-4印制板3min后器件即熱保護(hù)，而金屬銅芯電路此時(shí)溫度不到50℃，且最高溫度不到70℃。

從圖10可以明顯看出FR-4材料的印制板散熱效果最差，在第3min已經(jīng)達(dá)熱保護(hù)溫度，而其它電路板都是在40min左右達(dá)到熱平衡，這說明金屬銅芯印制板的散熱性能遠(yuǎn)強(qiáng)于FR-4材料印制板。

圖11為器件與其周圍基材的溫度差值，F(xiàn)R-4印制板上最高溫度與芯片周圍基材的溫度差值很大，最高達(dá)到45℃，而金屬芯板上最高溫度與周圍基材的溫度差值很小，最高只有5℃。這說明器件產(chǎn)生的熱量迅速地傳導(dǎo)到金屬銅芯，而FR-4印制板上器件產(chǎn)生的熱量則不能迅速地傳導(dǎo)到基材上。

圖10 三種印制板中器件溫度曲線Fig.10 Temperature curve of the device in FR-4, copper core and aluminum core

圖11 器件與周圍基材溫度差值Fig.11 Temperature difference between the device and the surrounding substrate

5 結(jié)束語

隨著星載相機(jī)性能指標(biāo)不斷地提高，視頻電路的器件集成密度和熱量密度不斷增大，其散熱問題變得日益突出，因此良好的散熱方式，是視頻電路發(fā)揮良好性能的有力保障。本文提出了金屬芯印制板散熱方案，完成了相關(guān)電路設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了相關(guān)仿真和試驗(yàn)，結(jié)果表明在同種工況下，金屬芯印制板不用增加散熱裝置也可獲得很好的散熱效果，其散熱能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于FR-4電路板，其不僅減少了散熱器裝配，縮小產(chǎn)品體積，而且降低了裝配成本與風(fēng)險(xiǎn)，大大提升了相機(jī)視頻電路散熱水平、可靠性以及設(shè)計(jì)靈活性。在星載相機(jī)中，相比于傳統(tǒng)的FR-4印制板，金屬芯印制板還需要綜合考慮如下因素：電路整板厚度，金屬芯材料、厚度及表面粗糙度，導(dǎo)熱絕緣材料及厚度，整板質(zhì)量，電路與結(jié)構(gòu)安裝形式，因此系統(tǒng)分析與仿真才能更好地應(yīng)用金屬芯印制板。

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Application of Metal-core Printed Circuit Board in Camera Circuit

XIAO Long HE Qiangmin LI Tao XU Weiling LIU Tao
（Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China）

With the development of space borne camera and the improvement of camera performance, the power density of video processing circuit is increasing. If the heat of the PCB cannot be dissipated effectively, the performance of the components on PCB will be reduced, and the stability and reliability of the camera will be affected. In this paper, several different heat dissipation schemes of PCB are analyzed, and a heat dissipation scheme based on metal copper core PCB is proposed for space borne camera. The experiments show that the heat dissipation efficiency of metal copper core is significantly higher than that of epoxy glass cloth printed board under the same conditions.

video circuit; metal-core printed circuit board; thermal design; thermal resistance; space camera

V19

A

1009-8518(2016)06-0066-10

10.3969/j.issn.1009-8518.2016.06.008

肖龍，男，1980年生，2006年獲中國空間技術(shù)研究院飛行器設(shè)計(jì)專業(yè)碩士學(xué)位，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)楹教爝b感器視頻電子學(xué)。Email: castxiaoxiao@126.com。

（編輯：王麗霞）

2016-01-12

國家重大科技專項(xiàng)工程