兼具低頻磁屏蔽效能的印制板組件熱沉制備與測試

周旭，陳晨，顧衛(wèi)標(biāo)，錢愛平

（1-南通大學(xué)杏林學(xué)院，江蘇南通 226019；2-廈門大學(xué)計算機學(xué)院，福建廈門 361005）

0 引言

某彈載電子設(shè)備中的印制板上安裝有一種大功率專用器件，工作時存在低頻強磁場的泄漏，因此在對印制板組件（Printed Circuit Board Assembly，PCBA）散熱的同時必須進行磁場屏蔽。

該PCBA的工況：環(huán)境溫度60 ℃，海拔1 000 m，連續(xù)工作時間14 min，總功耗140 W，要求器件殼溫不大于85 ℃，并符合GJB 5240—2004[1]中3級屏蔽效能（Shielding Effectiveness，SE）的要求。

實際上，PCBA的散熱設(shè)計與電磁兼容性（Electromagnetic Compatibility，EMC）設(shè)計在許多應(yīng)用場合都是一對矛盾體，例如散熱需要開式機箱，而EMC則需要密封屏蔽機箱。目前的做法是分開單獨設(shè)計，導(dǎo)致設(shè)備的體積和重量較大。其中，散熱主要采用相變制冷[2-4]、熱電制冷[5]及熱管技術(shù)[6]。本文基于新型相變材料的復(fù)合特性，對PCBA的散熱和EMC進行協(xié)同設(shè)計。

1 設(shè)計原理

1.1 散熱原理

某彈載設(shè)備的環(huán)境是一個狹小的密閉空間，無法利用大氣作為熱沉，常見的風(fēng)冷、液冷皆不適用。環(huán)境溫度為60 ℃，也不能有效利用輻射散熱。此外，高熱流密度則要求快速散熱，最好是瞬態(tài)散熱，否則可能導(dǎo)致器件燒毀。

彈載電子設(shè)備工作時間短這一重要特征，決定了其可采用瞬態(tài)儲熱熱沉進行散熱[7]，熱量被短時間儲存，從而緩解設(shè)備工作時的溫升，確保設(shè)備在規(guī)定時間內(nèi)正常工作。

1.2 低頻磁場屏蔽

在EMC屏蔽設(shè)計中，靜電屏蔽、低頻電屏蔽、高頻磁屏蔽以及高頻電磁場的屏蔽措施都是采用良導(dǎo)體封閉處理，區(qū)別是有的需要接地，有的則不需要，相對簡單。而低頻磁場（0.01～20 MHz）的信號是一種極難對付的電磁信號，其頻率低、趨膚效應(yīng)小、反射損耗小，因而吸波和反射機理均無用武之地。目前唯一的辦法是借助高導(dǎo)磁材料所具有的低磁阻特性：強磁場的磁力線優(yōu)先通過磁阻小的屏蔽材料，即起到所謂的屏蔽作用。

獲得低頻磁屏蔽較高效能的關(guān)鍵是屏蔽材料必須有足夠的厚度，而這正是彈上PCBA低頻磁屏蔽的一個棘手問題。目前沒有質(zhì)輕又有足夠厚度的磁屏蔽材料，通常的做法是在盒體表面刷或鍍一層磁性材料，因此很難滿足GJB 5240—2004[1]中關(guān)于磁屏蔽的3級要求。

2 設(shè)計方案

2.1 傳統(tǒng)設(shè)計

密封盒體采用壁厚5 mm鋁合金6061材料，作為質(zhì)輕的良導(dǎo)體，是PCBA的底部，同時也是熱沉和EMC屏蔽體。PCBA通過螺釘連接于盒體底部，盒體尺寸為150 mm×150 mm×50 mm，蓋板與盒體通過螺釘連接。功率器件產(chǎn)生的熱量傳至金屬殼體，利用結(jié)構(gòu)件顯熱，被動存儲電子器件的熱耗。

該屏蔽盒的體積功率密度：

計算可得體積功率密度φV=0.12 W/cm3，已超過了自然散熱的極限值0.09，顯然，僅靠金屬殼體的熱容不能滿足PCBA的散熱需求。此外，該屏蔽盒也不具備低頻磁屏蔽效能。

2.2 增強散熱效果設(shè)計

圖1中，為了增強熱沉的熱容，在PCBA與盒體底部之間設(shè)計一個相變散熱器。外殼采用6063鋁板焊接而成，其材料具有較好的強度和導(dǎo)熱性能。

圖1 相變熱沉（單位：mm）

最下面的底板設(shè)計成螺釘安裝，添加相變材料（Phase Change Material，PCM）時，將圖中熱沉倒置，用注射器敞開式加注95%的空間，然后安裝密封圈和圖中底板，用螺釘擰緊。此設(shè)計無需加注孔與排氣孔。發(fā)熱元器件的熱量通過傳導(dǎo)轉(zhuǎn)換為PCM的潛熱，可大大增強器件散熱效果。石蠟[8]是最常用的PCM，潛熱大，種類多，可以獲得合適的相變溫度。然而石蠟的導(dǎo)熱系數(shù)只有0.2 W/(m·K)，傳熱速度慢[9]，不能滿足彈上PCBA瞬態(tài)散熱的要求。

2.3 提高散熱速度設(shè)計

提高石蠟散熱速度的有效辦法是在石蠟中添加高導(dǎo)熱物質(zhì)構(gòu)成復(fù)合材料，目前已進行研究的材料有銀、銅[10]、鋁[11]、鉛、不銹鋼、金屬氧化物（CuO、TiO2、二氧化硅）[12-15]、鹽（NaCl-CaCl2）[16]、碳類（碳納米管、碳納米纖維、碳纖維、石墨、膨脹石墨和石墨烯[17-19]）、氮化物陶瓷（AlN）及金屬-非金屬的復(fù)合物（碳包銅）。這些熱傳導(dǎo)增強材料能夠提高散熱速度，但還不具備低頻磁屏蔽的效能。

2.4 低頻磁屏蔽設(shè)計

設(shè)計思路：在強漏磁器件的漏磁方向附近設(shè)置高導(dǎo)磁材料，強磁場的磁力線優(yōu)先通過這些磁性材料，從而限制了磁場能量的范圍，避免對其它磁敏感器件造成干擾。

鎳（Ni）的初始相對磁導(dǎo)率可達30 000，是一種高導(dǎo)磁材料。在石蠟中添加納米鎳粉是對PCBA進行低頻磁屏蔽的可行方案。考慮到Ni粉分布的均勻性會影響屏蔽效果，因此將熱沉的相變部分設(shè)計成圖2所示的網(wǎng)格狀，材料與屏蔽盒體相同，并采用低溫焊接技術(shù)與盒體焊接，構(gòu)成一個整體的多功能熱沉。

圖2 熱沉小網(wǎng)格化設(shè)計

由于散熱取決于相變材料，磁屏蔽取決于磁性材料，故網(wǎng)格尺寸不影響熱沉性能；但是表面張力的存在，間隔過小影響加注可靠性。而太大則不能有效化解相變膨脹力，經(jīng)過多次實驗，決定取8 mm。

3 復(fù)合相變材料的制備

對器件表面最高允許溫度85 ℃進行II級降額設(shè)計，選用德國某公司的70#石蠟，相變溫度約為70 ℃。導(dǎo)熱增強材料選擇納米Ni粉，純度為99.9%；導(dǎo)熱系數(shù)為90.7 W/(m·K)，球形粒徑為40 nm，比表面積為24.2 m2/g，能為相變材料提供更大的接觸面積。

選擇超聲混合法制備石蠟鎳粉復(fù)合相變材料，設(shè)備包括超聲波清洗器、電子精密天平和循環(huán)水浴等，實驗用水均為去離子水。共制備5種混合物，其中納米Ni的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0%、2%、4%、6%和8%。具體過程如圖3所示。

圖3 復(fù)合材料制備過程

1）將加熱的石蠟和納米Ni粉在燒杯中混合，將溫度保持在110 ℃，持續(xù)4 min；2）水浴的同時進行混合物超聲處理，復(fù)合材料的溫度保持在100 ℃，持續(xù)40 min以確保納米Ni粉均勻摻雜在石蠟中；3）加熱后的復(fù)合材料在常溫下靜置4 h，制成所需實驗樣品。

利用掃描電鏡（0.2～30 kV）對Ni質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%～8%的樣品進行切片觀察，如圖4所示。對比觀察后發(fā)現(xiàn)，Ni顆粒在石蠟表面均能夠分布均勻，隨著占比增加，分布也越密集。

圖4 不同質(zhì)量份數(shù)時Ni的樣品切片圖

4 復(fù)合材料性能測試與分析

4.1 復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)

C-Therm TCi導(dǎo)熱儀是加拿大某公司的一款導(dǎo)熱系數(shù)測量設(shè)備，適用于固體、粉末、膠體和液體的快速準(zhǔn)確測量。對不同Ni含量復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)進行實驗測定，將結(jié)果數(shù)據(jù)逐點描圖，得到圖5所示的導(dǎo)熱系數(shù)分布曲線。

圖5 導(dǎo)熱系數(shù)分布曲線

由圖5可知，隨著Ni粉比例的增加，復(fù)合相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)增加，但增加速度減緩，在摻雜質(zhì)量分?jǐn)?shù)8%的Ni粉后，復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)達到0.77 W/(m·K)。這是由于納米粒子在受熱后作無規(guī)則運動，與石蠟分子產(chǎn)生碰撞，粒子所攜帶的能量便發(fā)生了遷移，大大增強了復(fù)合材料內(nèi)部能量傳遞過程。納米粒子越多，這種能量傳遞的能力就越強。

4.2 相變特性

采用差示掃描量熱儀（Differential Scanning Calorimeter，DSC）[20]，測試步驟略。

4.2.1 相變潛熱

圖6所示為相變潛熱隨Ni質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化。由圖6可知，復(fù)合材料相變潛熱隨著納米Ni含量的增加逐漸減少，原因是鎳本身不是相變材料，而鎳粒子的增加減少了石蠟的相對含量，因此相變潛熱值下降，但是下降幅度并不大，仍有240.8 kJ/kg。

圖6 相變潛熱隨Ni質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化

4.2.2 相變溫度

相變溫度實驗測定結(jié)果分布如圖7所示。由圖7可知，相變溫度隨著Ni含量的增加略有降低，小于0.4 ℃。

圖7 相變溫度分布曲線

原因是納米Ni粉受熱后產(chǎn)生不規(guī)則運動，不斷碰撞石蠟分子，削弱了石蠟分子中的范德華作用力和靜電引力，使得石蠟結(jié)晶粒子的排列更容易從有序變?yōu)闊o序而呈現(xiàn)出流動性，最終導(dǎo)致相變溫度降低。Ni粉含量越大，對石蠟分子內(nèi)部作用力的削弱就越強烈。

4.2.3 相變時間

熔化效率是彈上PCM在實際應(yīng)用中被考量的重要因素，通常用相變時間來定量描述。圖8所示為相變時間隨Ni質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化。由圖8可知，Ni納米顆粒增強的導(dǎo)熱性有效地加速了熱擴散和熱傳遞，可以加速固-液相變，相變時間少于160 s，說明傳熱效率增加。同時，潛熱降低到240.8 kJ/kg，說明每單位質(zhì)量PCM需要更少的熱能來發(fā)生相變。因此，添加Ni納米顆?？梢詼p少熔化時間并提高熔化效率。

圖8 相變時間隨Ni質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化

4.2.4 循環(huán)穩(wěn)定性

此彈上復(fù)合材料屬于火工品的一部分，對循環(huán)穩(wěn)定性的要求較低。對幾件樣品每隔3 d進行一次加熱實驗，得出循環(huán)10次均未發(fā)現(xiàn)明顯分層。關(guān)鍵在于不能因長時間貯存而產(chǎn)生嚴(yán)重分層，否則會減小Ni層厚度，降低屏蔽效能。將幾件樣品靜置100 d，測量Ni層厚度的變化，結(jié)果均小于4%。原因在于選擇了質(zhì)輕且比重接近的材料。其中石蠟的比重為0.78 g/cm3，納米Ni粉體積密度為0.72 g/cm3。在實際貯存時，可設(shè)定每3個月倒置一次。

5 熱沉性能測試與分析

為了兼顧散熱與電磁屏蔽綜合效能，選擇Ni質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%的復(fù)合材料填充后，制成完整熱沉進行測試。

5.1 散熱性能測試與分析

為了真實評估儲熱熱沉的性能，選擇60 ℃恒溫室進行測試。為避免熱風(fēng)造成熱沉表面對流換熱，熱風(fēng)出口方向應(yīng)避開熱沉位置，在室溫達到60 ℃后減小熱風(fēng)速度，并保持1 h后再開始測試，如圖9所示。模擬熱源與熱沉間采用螺釘連接，接觸面填充高導(dǎo)熱界面材料。3個K型熱電偶分別錫焊在功率為38、36和35 W的器件表面，測試信號傳送至溫度數(shù)據(jù)采集裝置。

圖9 溫度測試系統(tǒng)實物

殼溫隨時間變化的曲線如圖10所示，由于功率接近，3個器件殼溫在2 min后均升至69 ℃以上，PCM開始熔化，器件熱耗開始轉(zhuǎn)換為PCM材料的相變潛熱，由于該復(fù)合材料相變時間短、效率高，所以溫升速度瞬間被抑制，即實現(xiàn)了瞬態(tài)散熱。被抑制的溫升將持續(xù)一段時間，該時間的長短取決于熱沉中填充PCM的絕對數(shù)量。

圖10 3個器件殼溫隨時間的變化

當(dāng)時間為17 min時，器件的殼溫又開始急劇上升，這是因為PCM的蓄熱已達到飽和，無法再吸收熱量。由于3個器件后期工作時間的占空比不同，所以上升拐點出現(xiàn)的時機并不相同。在23 min后殼溫再次接近是因為高溫時器件表面輻射增強[21]以及熱傳導(dǎo)所致。因此該熱沉起到了良好的溫控延時效果，器件殼溫升到85 ℃限值時最短耗時20 min，已超過軍方使用單位相應(yīng)14 min的設(shè)計指標(biāo)。

5.2 低頻磁屏蔽性能測試與分析

在屏蔽室內(nèi)進行低頻磁屏蔽效能測試，測試時屏蔽室不留人，采用全自動測試系統(tǒng)。水平極化測試結(jié)果如圖11所示。

圖11 水平極化屏蔽效能

在0.01～30 MHz內(nèi)的屏蔽效能SE大于30 dB，符合GJB 5240—2004[1]中關(guān)于屏蔽體的3級要求。圖中的SE隨著頻率增大而逐漸提高，是因為其它電磁場屏蔽機理的作用在逐步增強。

6 結(jié)論

本文基于散熱與電磁兼容協(xié)同設(shè)計，研究了納米Ni粉與石蠟復(fù)合相變材料的協(xié)同特性，分析了復(fù)合相變材料的傳熱機理、儲熱機理及其低頻磁場屏蔽機理，通過實驗得出如下結(jié)論：

1）質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于8%的納米Ni顆粒在石蠟表面均能夠分布均勻；質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%的Ni粉復(fù)合材料導(dǎo)熱率達到0.77 W/(m·K)，優(yōu)于石蠟；

2）復(fù)合材料相變潛熱值較石蠟稍有下降，為240.8 kJ/kg；復(fù)合材料相變時間為160 s，較石蠟吸熱效率高；

3）將復(fù)合材料結(jié)合鋁材制成一體化熱沉，在0.01～30 MHz內(nèi)的屏蔽效能大于30 dB，符合GJB 5240—2004要求；

4）經(jīng)過協(xié)同設(shè)計的熱沉具備質(zhì)輕、導(dǎo)電、熱容大、吸熱快、效率高及低頻磁屏蔽效果好等優(yōu)點；測試結(jié)果表明其能夠應(yīng)用于彈載電子設(shè)備中大功率器件的散熱與屏蔽；下一步研究的目標(biāo)是對重量、散熱與EMC進行三協(xié)同最優(yōu)化設(shè)計，針對不同的質(zhì)量、熱和EMC設(shè)計需求，找到納米Ni粉的最佳復(fù)合比例。