基于JVPX連接器的模塊化插件結(jié)構(gòu)與熱設(shè)計分析

冷同同，王煒方，江守利，李 佳

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

引 言

為了減少信號的輸入/輸出轉(zhuǎn)接，實現(xiàn)高可靠性，目前插箱中所用插件大部分都是依靠單塊印制板及相應(yīng)器件來完成一定的獨立功能，這使得一個插箱中存在多個功能不同的插件。模塊化的設(shè)計可以實現(xiàn)部件級的通用互換，取得批量生產(chǎn)的效益[1-2]。另外，軍用雷達對電子設(shè)備的性能和質(zhì)量要求越來越苛刻[3]。因此，在雷達插箱插件的設(shè)計過程中越來越多地采用模塊化設(shè)計，既簡化了設(shè)計，縮短了研制周期，又提高了軍用電子設(shè)備的可維護性，進而大大提高了產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性[4-5]。

JVPX印制板連接器是在VITA46總線印制板電路連接器基礎(chǔ)上開發(fā)的，可提高力學(xué)和電磁性能，滿足多種信號(如差分、光、射頻、低頻信號等)或功率集成傳輸?shù)葢?yīng)用需求，目前已廣泛應(yīng)用在雷達插件的設(shè)計當(dāng)中。

隨著雷達電子設(shè)備組裝密度的提高，功率密度也隨之大大提高，特別是在對體積、重量都有著嚴格要求的機載條件下尤為突出。傳統(tǒng)的自然風(fēng)冷以及強迫風(fēng)冷遠遠不能滿足機載環(huán)境下雷達電子設(shè)備的散熱要求。傳導(dǎo)式散熱以及插件直接液冷的設(shè)計思想開始應(yīng)用到插箱插件的設(shè)計當(dāng)中。直接液冷散熱效率高，但對空間的要求較大，設(shè)計制造難度也相對較高；傳導(dǎo)式散熱則對空間尺寸要求相對較小，但對散熱路徑及固體界面間的接觸熱阻要求嚴格[6-7]。目前，傳導(dǎo)式散熱是航空電子設(shè)備采用的常見散熱方法，即機箱采用密封液冷機箱，電子設(shè)備插件安裝在密封機箱內(nèi)，以固體接觸導(dǎo)熱的形式傳遞到液冷機箱導(dǎo)軌側(cè)壁上，通過熱交換將熱量帶走[8]。

本文設(shè)計了一種基于JVPX連接器的插拔方便、固定可靠、采用傳導(dǎo)散熱的模塊化插件。通過熱仿真優(yōu)化相應(yīng)結(jié)構(gòu)特征，選擇合理的材料，同時考慮到傳導(dǎo)式散熱的接觸面接觸熱阻問題，對液態(tài)金屬進行了相關(guān)應(yīng)用研究。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 結(jié)構(gòu)組成

隨著雷達對數(shù)據(jù)集成傳輸要求的提高，JVPX印制板連接器得到了廣泛應(yīng)用。它可滿足多種信號(如差分、光、射頻、低頻信號等)或功率(單點最大工作電流46ADC)的集成傳輸需求，將數(shù)字信號與模擬信號集成在一起，整體安裝于插件的后方，并通過與綜合背板的盲插來保證電性能要求。插件設(shè)計一般分為印制板單板形式以及機殼形式2種情況。由于射頻部分有電磁屏蔽的要求，即要求在有外界電磁干擾的情況下仍能可靠地工作，因此該模塊化插件采用機殼形式，并基于JVPX連接器的6U (1U=44.45 mm) 標準插件，前面板寬24 mm，如圖1所示。

圖1 JVPX連接器結(jié)構(gòu)示意圖

同時考慮到模塊的插拔、固定等，該插件設(shè)計安裝有把手、鎖緊機構(gòu)、滾輪等附件，如圖2所示。

圖2 基于JVPX連接器的插件結(jié)構(gòu)組成

1.2 安裝固定

在結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，安裝方便有效、固定可靠是保證電子設(shè)備正常工作的一項重要措施。該插件的應(yīng)用環(huán)境為機載環(huán)境，設(shè)備的抗振動沖擊以及結(jié)構(gòu)件的“三防”等要求都變得更加嚴苛。

目前，液冷機箱中所用插件的安裝大多利用機箱內(nèi)的導(dǎo)軌槽將插件平行推移進去，這樣就會使插件底部與導(dǎo)軌槽直接接觸，產(chǎn)生摩擦，從而破壞掉之前為滿足“三防”要求而對插件結(jié)構(gòu)所作的表面處理，影響設(shè)備的“三防”性能。為了解決表面摩擦的問題，本文在插件的底部安裝了滾輪裝置，利用滾輪使插件底部與導(dǎo)軌槽之間存在間隙，有效地避免了摩擦問題，如圖2所示。

另外，文中插件在傳統(tǒng)鎖緊機構(gòu)固定的基礎(chǔ)上增加了螺釘固定，前面板安裝了M3×10的內(nèi)六角松不脫螺釘，可與鎖緊機構(gòu)使用同一種內(nèi)六角扳手，如圖3所示。兩者的配合使用，既提高了安裝固定的可靠性，又減少了工具種類，簡單、方便又可靠。

圖3 鎖緊機構(gòu)與松不脫螺釘?shù)呐浜鲜褂?/p>

1.3 JVPX盲插定位設(shè)計

JVPX連接器中射頻部分采用的是SMP連接器盲插，其軸向容差較小，因此，插件與綜合背板的盲插精度至關(guān)重要，而JVPX連接器的軸向定位精度直接影響其盲插精度。

目前，JVPX的安裝多以印制板作為支撐，利用圖1所示的定位銷及安裝固定孔直接固定在印制板上。一方面印制板加工精度受限，且印制板與機殼的安裝存在誤差；另一方面在與背板盲插過程中印制板直接受力，導(dǎo)致印制板變形，從而使得盲插不到位，電性能出現(xiàn)異常。為解決該問題，本文在機殼上設(shè)計了JVPX連接器的定位結(jié)構(gòu)(如圖4所示)，采用JVPX連接器直接與機殼固定的形式，避免了上述2種情況的出現(xiàn)。

圖4 JVPX定位安裝圖

2 熱設(shè)計

2.1 熱仿真

如圖5所示，文中插件采用傳導(dǎo)式散熱。通過鎖緊機構(gòu)將插件與導(dǎo)軌固定，使其散熱面有效接觸，同時在芯片器件與散熱凸臺之間安裝導(dǎo)熱襯墊，將熱量通過合理的散熱路徑傳導(dǎo)至液冷機箱導(dǎo)軌側(cè)壁上有效地散發(fā)出去。

圖5 傳導(dǎo)散熱示意圖

該插件的總熱耗為75 W，F(xiàn)PGA芯片熱耗為20 W，初步設(shè)計材料選用鋁合金5A05，散熱底板厚1.5 mm，冷卻液溫度為40 ℃，冷板導(dǎo)軌處溫度為47 ℃。圖6所示的熱仿真結(jié)果表明：FPGA芯片最高溫度達到102 ℃，不滿足其允許的工作溫度-40 ℃～100 ℃。

圖6 熱仿真分析結(jié)果

在結(jié)構(gòu)方面，通過增加散熱截面面積和選用高導(dǎo)熱材料來滿足熱設(shè)計要求。綜合考慮機載環(huán)境對重量的苛刻要求，在保證外部結(jié)構(gòu)不變以及滿足剛強度的前提下，將散熱底板的厚度增加至2 mm，同時改用熱導(dǎo)率更高的鋁合金6061來提高散熱性能[9]。優(yōu)化后的仿真結(jié)果如圖7所示，滿足設(shè)計要求。

圖7 優(yōu)化后熱仿真分析結(jié)果

2.2 接觸熱阻的優(yōu)化

接觸熱阻是影響電子設(shè)備散熱的重要因素之一。目前，為降低固體界面間的接觸熱阻，主要方法是在接觸界面間填充導(dǎo)熱襯墊、銦箔、導(dǎo)熱硅脂等[10]。在功率器件的散熱過程中，往往通過在界面中增加導(dǎo)熱襯墊或銦箔來降低接觸熱阻，但是導(dǎo)熱襯墊較軟、導(dǎo)熱率較低，而銦箔是一種固體，不能充分填充界面。膏狀的散熱材料(如導(dǎo)熱硅脂)可有效降低接觸面的接觸熱阻，但粘性太低，容易使材料溢出接觸界面，造成污染。液態(tài)金屬存在液態(tài)、膏狀以及固體3種狀態(tài)。其中，在膏狀狀態(tài)下，液態(tài)金屬的多相設(shè)計技術(shù)可使其在較寬的溫度范圍內(nèi)維持足夠的粘度，熔點范圍為2 ℃～200 ℃，既有高的熱導(dǎo)率又可利用其膏狀的特性充分消除接觸界面處的間隙，降低接觸熱阻，進而減小由接觸熱阻引起的溫升。圖8為接觸熱阻溫升示意圖。

圖8 接觸熱阻溫升示意圖

以底板厚度2 mm、鋁合金6061材料為例。由圖8可知，在固體界面之間不增加導(dǎo)熱填料的情況下，機殼與導(dǎo)軌接觸面處溫度為54 ℃，即由接觸熱阻引起的溫升在7 ℃左右。本文選擇熔點為54 ℃的液態(tài)金屬，當(dāng)接觸面溫度達到54 ℃時，液態(tài)金屬開始呈現(xiàn)膏狀，由于具有一定粘度，不會溢出接觸界面，可有效降低接觸熱阻。如圖9所示，在界面間增加導(dǎo)熱填料，在邊界條件相同的情況下，F(xiàn)PGA芯片處溫度以及接觸面處溫升明顯降低，具體對比見表1。

圖9 填充液體金屬后熱仿真分析結(jié)果

表1溫度對比℃

界面狀態(tài)無導(dǎo)熱填料填充液態(tài)金屬FPGA芯片處溫度91．683．1接觸面處溫升6．81

3 結(jié)束語

隨著雷達集成化、小型化的應(yīng)用，電子設(shè)備的散熱

以及盲插互聯(lián)精度至關(guān)重要。本文詳細闡述了一種機載環(huán)境條件下的傳導(dǎo)式散熱插件的結(jié)構(gòu)設(shè)計及熱設(shè)計分析優(yōu)化，設(shè)計了一種插拔方便、固定可靠、傳導(dǎo)式散熱的模塊化插件，實現(xiàn)了JVPX連接器的高可靠、高精度定位，同時，利用液態(tài)金屬的特性，將其應(yīng)用到機殼與導(dǎo)軌之間的接觸面上，填充接觸面間的間隙，有效地降低了接觸熱阻，減小了接觸面處的溫升。該結(jié)構(gòu)優(yōu)化有效提高了盲插互聯(lián)的精度及可靠性，同時液態(tài)金屬的使用為后續(xù)傳導(dǎo)式散熱提供了一種有效解決途徑。

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