熱真空條件下二浮IMU電子箱熱設(shè)計(jì)

程耀強(qiáng)，郭林肖，潘 光，郭 秦，黃 剛，郭紅軍

（1.西安現(xiàn)代控制技術(shù)研究所，西安710065；2.中國(guó)航天科技集團(tuán)九院第16研究所，西安710100；3.西北工業(yè)大學(xué)航海學(xué)院，西安710072）

1 引言

二浮慣性測(cè)量裝置（Inertial Measurement U-nit，IMU）電子箱是慣性儀表（二浮陀螺和石英加速度計(jì)）的配套電子設(shè)備，用于對(duì)二浮陀螺和石英加速度計(jì)供電、溫度控制、模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換、回路控制和數(shù)字信號(hào)輸出［1］。

二浮IMU電子箱安裝在貨運(yùn)飛船儀器艙內(nèi)，隨艙段在空間運(yùn)行，空間環(huán)境高低溫溫差大、電磁場(chǎng)密集，二浮IMU電子箱會(huì)受到電磁輻射、太陽(yáng)輻射、地球紅外輻射和地球陽(yáng)光反照及空間冷黑熱沉的交替加熱和冷卻，工作環(huán)境十分惡劣［2］；且二浮IMU電子箱工作時(shí)，電子元器件自身也要產(chǎn)生熱量，這些內(nèi)外熱環(huán)境的共同影響會(huì)使二浮IMU電子箱產(chǎn)生一定的溫度載荷，對(duì)二浮IMU電子箱的性能甚至功能帶來影響。因此必須進(jìn)行合理的熱設(shè)計(jì)，將二浮IMU電子箱的溫度波動(dòng)控制在一定的范圍內(nèi)。

目前對(duì)電子設(shè)備進(jìn)行熱設(shè)計(jì)，常借助flotherm、ansys、icepak、SINDA／Fluint軟件等進(jìn)行建模和整機(jī)熱仿真分析［3-5］，這些軟件仿真的效果往往依賴于電子設(shè)備模型的準(zhǔn)確度和邊界條件選擇的合理性等，其結(jié)果往往與工程中電子設(shè)備實(shí)際運(yùn)行時(shí)的熱分布不符，對(duì)電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)意義有限。而目前常用的設(shè)計(jì)評(píng)估方法——熱真空試驗(yàn)，是在整機(jī)完成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和熱設(shè)計(jì)之后進(jìn)行的，一旦熱設(shè)計(jì)不合理，補(bǔ)救的代價(jià)就非常高，且熱真空試驗(yàn)單純以整機(jī)環(huán)境試驗(yàn)作為電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)成功的依據(jù)［1-2］，忽視電子設(shè)備內(nèi)部個(gè)別元器件的熱設(shè)計(jì)隱患，直接影響到整個(gè)電子設(shè)備的運(yùn)行可靠性。

基于此，本文使用集整機(jī)熱設(shè)計(jì)與內(nèi)部電子元器件溫度精準(zhǔn)測(cè)量為一體的設(shè)計(jì)方法，以二浮IMU電子箱為例，應(yīng)用該方法設(shè)計(jì)箱體傳熱途徑，并完成包括印制板結(jié)構(gòu)及其散熱器布置、異型墊板布局等在內(nèi)的具體設(shè)計(jì)，最后通過熱真空試驗(yàn)前后標(biāo)定參數(shù)對(duì)比的方法驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)果以及方法的有效性。

2 熱設(shè)計(jì)要求

在實(shí)驗(yàn)室條件下，二浮IMU電子箱穩(wěn)態(tài)功耗高達(dá)86.5 W，真空條件下，穩(wěn)態(tài)功耗不低于75 W，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于常見電子設(shè)備的功耗［1］。一個(gè)成功的二浮IMU電子箱熱設(shè)計(jì)，需滿足如下的條件［1-2， 6-7］ ：

1）在真空條件下，全溫范圍（－25℃ ～60℃）內(nèi)，二浮IMU電子箱中各電子元器件能夠工作在各自規(guī)定的Ⅰ類降額（實(shí)際應(yīng)用時(shí)低于元器件參數(shù)，如功率、電壓、電流的額定值）范圍內(nèi)；

2）熱真空試驗(yàn)前后慣性儀表的誤差參數(shù)變化量需滿足表1的極差要求。

表1 慣性儀表誤差參數(shù)變化量要求Table 1 Requirements on error variation of the inertial instruments

其中，E1～E3為二浮陀螺標(biāo)度因數(shù)；D01～D03為二浮陀螺零位；Dx1～Dz3為二浮陀螺與g有關(guān)項(xiàng)系數(shù)；K1x～K1z為石英加速度計(jì)標(biāo)度因數(shù)；K01～K03為石英加速度計(jì)零位。

3 熱設(shè)計(jì)

二浮IMU電子箱由電源電路、伺服及溫控電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、LTU（Logic Terminal Unit）電路及箱體等組成，包括為各電路板提供可靠的力學(xué)工作環(huán)境的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和為各電路板上的元器件提供良好的熱學(xué)工作環(huán)境的熱設(shè)計(jì)兩部分。

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

二浮IMU電子箱主要為電路的印制板提供安裝和固定的平臺(tái)，箱體的強(qiáng)度、剛度和動(dòng)態(tài)性能對(duì)印制板的可靠性有很大影響。在對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維建模的基礎(chǔ)上，進(jìn)行模態(tài)分析以及熱仿真分析，得到一種二浮IMU電子箱的頻率特性和熱場(chǎng)分布最優(yōu)化的結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

圖1 二浮IMU電子箱結(jié)構(gòu)外形圖Fig.1 Structure and appearance of two-bearing IMU

3.2 傳熱途徑設(shè)計(jì)

對(duì)電子設(shè)備而言，一般的熱控手段包括熱隔離、熱疏導(dǎo)、熱補(bǔ)償、熱輻射等［2］。而在近地空間的特殊環(huán)境下，二浮IMU電子箱安裝于貨運(yùn)飛船儀器艙內(nèi)部，傳熱途徑主要有兩條，一是輻射，二是傳導(dǎo)，傳熱途徑如圖2所示。

圖2 二浮IMU電子箱散熱途徑示意圖Fig.2 Heat dissipation illustration of two-bearing IMU electronic circuit box

熱真空條件下，二浮IMU電子箱與外界空間能量的輻射一般通過公式（1）所示斯忒藩-玻爾茲曼定律來衡量［2］：

式中，Q為熱流密度；Kf為導(dǎo)熱系數(shù)，指在穩(wěn)定傳熱條件下圍護(hù)結(jié)構(gòu)兩側(cè)空氣溫差為1℃時(shí)，1 s內(nèi)1 m傳遞的熱量；dx／dt表示x方向上的溫度梯度。由公式（2）可知，控制接觸安裝面熱量傳遞量值只能通過改變Kf值來實(shí)現(xiàn)，而Kf值取決于所選用的安裝面的材料，不同的材料，導(dǎo)熱系數(shù)不同。電子元器件與印制版的安裝面一般采用銅材料，印制板與箱體的安裝面一般采用鋁材料，電子設(shè)備與艙體之間一般采用鋁材料［8-9］，表2列出了這幾種材料以及IMU產(chǎn)品中常用的幾種材料的傳熱系數(shù)值［8-10］。

式中，E為輻射密度值，ζ為表面黑度，σ0為斯忒藩-玻爾茲系數(shù)，T為試件表面溫度。由公式（1）可知，要提高二浮IMU電子箱的輻射熱量值，傳熱設(shè)計(jì)時(shí)采用了兩種方法：

1）提高二浮IMU電子箱自身的溫度值，方法是提高箱體的溫度控制點(diǎn)，但二浮IMU電子箱采用被動(dòng)控溫方式，即二浮IMU箱體未設(shè)計(jì)溫控控制電路，不能主動(dòng)控制其溫度升高，因此該方法不適用；

2）盡量增大二浮IMU電子箱的表面積，并提高表面發(fā)黑水平，提高ζ值，采用的方法是對(duì)二浮IMU電子箱表面盡量采用鋁合金材料，并采用黑色陽(yáng)極化技術(shù)進(jìn)行發(fā)黑處理。

二浮IMU電子箱除了滿足熱輻射的理論外，設(shè)備和內(nèi)部的元器件通過安裝面導(dǎo)熱也是一個(gè)重要的傳熱途徑，這些安裝面包括元器件與印制版的安裝面、印制板與箱體的安裝面以及二浮IMU電子箱與艙體之間的安裝面。安裝面的散熱一般采用傅里葉定律來衡量［8］，見公式（2）：

表2 不同材料的傳熱系數(shù)值Table 2 Heat transfer coefficient of different materials／（W／（m·K））

除了上述常見的材料外，在工程應(yīng)用中廣泛使用導(dǎo)熱硅脂，其典型傳熱系數(shù)值為1.4～4.0 W／（m·K），遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于空氣的傳熱系數(shù)（0.023 W／（m·K））［2，10］，因此在兩種介質(zhì)的安裝界面間均勻涂一層導(dǎo)熱硅脂，可以提高兩種介質(zhì)之間的傳熱效果。并且導(dǎo)熱硅脂還具有極佳的電絕緣性和使用穩(wěn)定性，耐高低溫性能好，對(duì)接觸的金屬材料（銅、鋁、鋁合金）無腐蝕性。

為減小電子元器件在真空條件下的溫升，在傳熱設(shè)計(jì)中作如下的兩個(gè)處理：

1）將熱量盡可能多地往電子箱箱體上傳導(dǎo)

在發(fā)熱量大的元器件上設(shè)置小型散熱器，并在其印制板上覆銅，以及在發(fā)熱量大的器件下方設(shè)計(jì)專門的異型鋁材質(zhì)的墊板，直接將墊板與發(fā)熱量大的器件接觸，通過熱良導(dǎo)體銅、鋁將元器件的熱量傳導(dǎo)至印制板框架，再通過框架傳至箱體，在此基礎(chǔ)上，在元器件底面與印制版覆銅處增加一層導(dǎo)熱硅脂，填充氣隙，增大元器件與印制版覆銅層的接觸面積，如圖3所示。

圖3 發(fā)熱量大的元器件散熱措施示意圖Fig.3 diagram of measures for large heat dissipation electronic components

2）將箱體上的熱量盡可能多地往空間傳導(dǎo)

如圖4所示，電子箱箱體表面均經(jīng)過黑色陽(yáng)極化處理，以保證箱體熱量能夠以輻射形式向周圍傳散。為加快傳熱速率以使得線路內(nèi)溫度場(chǎng)盡快平衡，對(duì)電子箱箱體的安裝面進(jìn)行精加工，以提高其表面光潔度，從而使電子箱箱體與艙體的安裝面充分接觸，增加傳到散熱。同時(shí)在箱體安裝面與艙體的安裝面之間增加一層導(dǎo)熱硅脂，填充氣隙，更有利于箱體的熱量向外傳遞。

3.3 熱設(shè)計(jì)方案

3.3.1 箱體熱設(shè)計(jì)

圖4 線路箱體安裝面改進(jìn)設(shè)計(jì)示意圖Fig.4 Diagram of improved design of circuit box surface

考慮二浮IMU電子箱隨貨運(yùn)飛船儀器艙在高低溫溫差大、電磁場(chǎng)密集等惡劣環(huán)境中運(yùn)行，為提高二浮IMU電子箱的可靠性，箱體熱設(shè)計(jì)主要采取三項(xiàng)措施：

1）選擇了低功耗的元器件，并盡可能利用設(shè)備的結(jié)構(gòu)進(jìn)行傳熱；

2）在對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行熱仿真分析時(shí)，充分考慮了電子設(shè)備的極端工況，同時(shí)加熱功率留有足夠的余量，以適應(yīng)低溫工況和低溫啟動(dòng)時(shí)的需求；

3）將發(fā)熱量大，功耗較大的電路放置在箱體兩端，更有利于電子箱內(nèi)部熱量的輻射。

3.3.2 電子元器件溫度精準(zhǔn)測(cè)量熱設(shè)計(jì)

統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，電子設(shè)備所發(fā)生的故障大部分（55%以上）是由于溫度因素引起的［11-12］。功耗增大易引起元器件封裝體內(nèi)溫度的升高，當(dāng)溫度超過元器件額定溫度時(shí)，易導(dǎo)致元器件工作不穩(wěn)定而失效［9］；統(tǒng)計(jì)資料顯示，電子元器件溫度每升高 2℃，可靠性下降10%，溫升50℃時(shí)的壽命只有溫升 25℃ 時(shí)的 1／6［13-14］。溫升對(duì)電子元器件最直接的影響是導(dǎo)致元器件完全或部分失去電氣功能，即熱失效。電子產(chǎn)品元器件隨結(jié)點(diǎn)溫度的升高，其熱失效率呈指數(shù)增長(zhǎng)［10］。根據(jù)6℃法則，當(dāng)變壓器的工作溫度在某范圍內(nèi)時(shí)（不同類型的變壓器，溫度范圍不同），溫度每升高6℃，其絕緣老化率就會(huì)增加一倍［11］。

從滿足空間應(yīng)用需求和提高抗熱力學(xué)環(huán)境能力角度出發(fā)進(jìn)行二浮IMU電子箱的設(shè)計(jì)和加工，熱設(shè)計(jì)的合理性不能僅僅利用理論計(jì)算的手段解決，理論計(jì)算往往存在著較大的偏差，為了進(jìn)一步驗(yàn)證二浮IMU電子箱熱設(shè)計(jì)的正確性，檢驗(yàn)各組件的熱性能，考核熱設(shè)計(jì)對(duì)在軌飛行熱環(huán)境的適應(yīng)能力及確定最佳熱控參數(shù)，必須采用地面模擬試驗(yàn)進(jìn)行輔助設(shè)計(jì)，本文采用對(duì)電子元器件的溫度進(jìn)行精準(zhǔn)測(cè)量的設(shè)計(jì)方法。

為了更好地說明問題，在各個(gè)電路板上選取了一至兩個(gè)發(fā)熱量最大的器件，選取的器件見表3，其中“對(duì)應(yīng)標(biāo)號(hào)”是測(cè)溫鉑電阻的編號(hào)，具體見圖5。

表3 線路箱體中電子元器件溫度值Table 3 Temperature of electronic components in the circuit box

圖5 鉑電阻粘貼連接示意圖Fig.5 Aste and connection illustration of platinum resistance

在選定的元器件表殼粘貼鉑電阻（例如PT800鉑電阻），通過監(jiān)測(cè)鉑電阻的阻值，來判定熱真空試驗(yàn)過程中相應(yīng)元器件的溫度值。鉑電阻的阻值與它所感應(yīng)的溫度值之間的關(guān)系如式（3）［7］：

式中：α為鉑電阻溫度系數(shù)，查閱廠家數(shù)據(jù)手冊(cè)，取值3.85×10－3Ω／℃；t為元器件的實(shí)時(shí)溫度值，單位℃；Rt為鉑電阻感測(cè)到的元器件的溫度值，單位 Ω；R0為鉑電阻在時(shí)的溫度值，單位Ω。鉑電阻粘貼連接示意如圖5所示。

4 熱設(shè)計(jì)驗(yàn)證及性能評(píng)估

4.1 熱設(shè)計(jì)驗(yàn)證

根據(jù)貨運(yùn)飛船儀器艙的實(shí)際運(yùn)行環(huán)境，設(shè)定二浮IMU電子箱試驗(yàn)條件為：熱真空罐真空度不小于6.5 ×10－3Pa；試驗(yàn)溫度 －25℃ ～60℃，控溫點(diǎn)選在非熱源處［1，15-16］。

試驗(yàn)時(shí)，將二浮IMU電子箱放入熱真空罐中，將二浮IMU組合體（內(nèi)含二浮陀螺和石英加速度計(jì)）放置在熱真空罐外。產(chǎn)品加溫1 h，啟動(dòng)熱真空罐，將熱真空罐內(nèi)的氣壓降至6.5×10－3Pa以下，罐內(nèi)氣壓在整個(gè)試驗(yàn)過程中均保持在6.5×10－3Pa以下，然后熱真空罐開始升溫，控溫點(diǎn)到達(dá)60℃后，通過調(diào)節(jié)熱真空罐的溫度，維持控溫點(diǎn)的溫度值， 保持4 h后，熱真空罐開始降溫，控溫點(diǎn)到達(dá)－25℃后，通過調(diào)節(jié)熱真空罐的溫度，維持控溫點(diǎn)的溫度值 －，保持 4 h。 記錄全溫段（－25℃ ～60℃）所監(jiān)測(cè)的電子元器件的溫度值，并于這些元器件的Ⅰ類降額結(jié)溫值（從元器件手冊(cè)上查得）進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果具體見表4。

表4 線路箱體中電子元器件溫度值Table 4 Temperature of electronic components in the circuit box

由表4可知，在4 h高溫段和4 h低溫段，各個(gè)監(jiān)測(cè)的電子元器件溫度均能夠穩(wěn)定在各自的結(jié)溫值范圍內(nèi)，說明本文所提出的二浮IMU電子箱熱設(shè)計(jì)方法能夠使電子箱在真空條件下達(dá)到熱平衡狀態(tài)，這將能夠?yàn)殡娮釉骷峁┻m宜的溫度環(huán)境，從而提高電子元器件的壽命和可靠性。

4.2 性能評(píng)估

綜合評(píng)判二浮IMU電子箱熱設(shè)計(jì)性能的另一項(xiàng)重要指標(biāo)是熱真空試驗(yàn)前后慣性儀表誤差參數(shù)的變化量，指標(biāo)見表1。表5和表6給出了熱真空試驗(yàn)前后二浮陀螺和加速度計(jì)誤差參數(shù)的對(duì)比情況，其中表5陀螺的標(biāo)度因數(shù)和安裝誤差角通過率標(biāo)定得到，表6中加速度計(jì)的所有誤差參數(shù)和陀螺的一次項(xiàng)系數(shù)通過位置標(biāo)定得到。

由表5和表6所示試驗(yàn)前后慣性儀表誤差參數(shù)的極差變化可知，慣性儀表經(jīng)過試驗(yàn)后，性能非常穩(wěn)定，主要誤差參數(shù)變化量遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于表1的指標(biāo)要求，可見二浮IMU電子箱的熱設(shè)計(jì)方案合理，為慣性儀表、電子元器件提供了良好的工作環(huán)境。

表5 速率標(biāo)定參數(shù)對(duì)比情況Table 5 Comparison of rate calibration parameters

表6 位置標(biāo)定參數(shù)對(duì)比情況Table 6 Comparison of position calibration parameters

5 結(jié)論

1）針對(duì)大功耗二浮IMU電子箱，本文提出了一種集整機(jī)熱設(shè)計(jì)與內(nèi)部電子元器件溫度精準(zhǔn)測(cè)量為一體的熱設(shè)計(jì)方法，采取了在印制板上加裝小型散熱器、異型墊板等設(shè)計(jì)措施。驗(yàn)證試驗(yàn)測(cè)得電子元器件在真空條件下，全溫范圍內(nèi)（－25℃ ～60℃）能夠穩(wěn)定在各自Ⅰ類降額結(jié)溫范圍內(nèi)，可見本文提出的熱設(shè)計(jì)方案合理可行。

2）整機(jī)熱設(shè)計(jì)與電子元器件溫度精準(zhǔn)測(cè)量相結(jié)合的熱設(shè)計(jì)方法，既可以解決常規(guī)整機(jī)熱仿真存在的不準(zhǔn)確問題，也能規(guī)避單純采用試驗(yàn)補(bǔ)救代價(jià)太大的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)大功耗電子設(shè)備的熱設(shè)計(jì)具有參考價(jià)值，并已經(jīng)在型號(hào)中得到了成功應(yīng)用。