自熱式印制板加熱性能分析與評(píng)估

張先鋒，王恒遠(yuǎn)，趙 政，魏 李

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，安徽 合肥230088)

0 引言

星載雷達(dá)等電子設(shè)備作為衛(wèi)星的重要有效載荷，對(duì)其重量和體積有著嚴(yán)苛的要求。為此，隨著微電子技術(shù)不斷進(jìn)步以及新材料、新工藝的應(yīng)用，新一代航天電子載荷呈現(xiàn)集成化、多功能化、輕量化的發(fā)展態(tài)勢(shì)[1-2]。

衛(wèi)星在軌運(yùn)行過(guò)程中，需面臨真空、超低溫以及劇烈變化的外熱流等復(fù)雜空間熱環(huán)境，且電子設(shè)備自身的發(fā)熱量變化也很大，需采取有效的熱控手段，來(lái)保證電子設(shè)備從低溫到高溫所有工況均處于合適的溫度，確保設(shè)備高溫工況下不超過(guò)最高溫度，低溫工況時(shí)不低于低溫設(shè)計(jì)極限。電加熱器作為航天器熱控中最常用的主動(dòng)熱控手段，主要用于電子設(shè)備在低溫條件下溫度補(bǔ)償，即當(dāng)設(shè)備溫度過(guò)低時(shí)，通過(guò)電加熱來(lái)提高設(shè)備溫度，使之滿足低溫設(shè)計(jì)要求[3]。目前，通常采用薄膜型電加熱器對(duì)航天電子設(shè)備進(jìn)行補(bǔ)償加熱，一般通過(guò)膠結(jié)方式裝配到設(shè)備中，同時(shí)還需要預(yù)留空間用于加熱器附屬部件的集成，其不利于新一代電子設(shè)備載荷的集成化、小型化設(shè)計(jì)?；跈C(jī)電熱耦合的一體化設(shè)計(jì)是解決上述問(wèn)題的有效手段之一[4]，即將電加熱器與電子設(shè)備結(jié)構(gòu)或其他功能件集成設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)熱控部件與功能件一體化。尹可等[5]嘗試在印制板內(nèi)集成采用銅箔布線的加熱電路，用于某機(jī)載電子控制器的低溫補(bǔ)償加熱，以減小電子控制器機(jī)箱的重量和體積。而隨著電子設(shè)備向多功能化發(fā)展，印制板集成密度不斷提升，采用銅箔布線的加熱電路占用面積較大，無(wú)法有效滿足設(shè)備板級(jí)高密度組裝及布線的要求。

本文設(shè)計(jì)了一種基于薄膜電阻的自加熱式印制板，通過(guò)在高密度組裝的多層印制板中設(shè)置的熱控功能層中埋置薄膜電阻，用于印制板自身的補(bǔ)償加熱，實(shí)現(xiàn)電加熱器與印制板集成化設(shè)計(jì)，滿足星載電子設(shè)備低溫時(shí)的溫控需求?；谠撍悸罚_(kāi)展了自熱式印制板加熱電路布局、結(jié)構(gòu)參數(shù)分析與優(yōu)化研究，研制了相應(yīng)的樣件，完成了樣件的加熱性能實(shí)驗(yàn)研究。

1 自熱式印制板

圖1為自熱式印制板的結(jié)構(gòu)示意圖，該印制板為多層印制板，由絕緣材料、介質(zhì)材料，以及相關(guān)電路和器件等復(fù)合而成。根據(jù)需要在各層設(shè)計(jì)相關(guān)電路以及埋置相關(guān)器件，設(shè)置相應(yīng)的功能層，如網(wǎng)絡(luò)層、接地層等。本文所設(shè)計(jì)的自熱式印制板，除了上述電性能的功能層外，還設(shè)置具備加熱功能的熱控功能層，即在印制板的中間層設(shè)計(jì)加熱電路，埋置加熱電阻，用于印制板低溫時(shí)的補(bǔ)償加熱。

圖1 自熱式印制板構(gòu)型示意

本文針對(duì)某微波多層印制板，開(kāi)展了加熱電路設(shè)計(jì)。在該印制板中，各類功率器件集成到印制板的頂層表面，根據(jù)不同類型器件的布局，劃分了多個(gè)大小相同的子區(qū)域。受電性能指標(biāo)限制，電子設(shè)備在工作過(guò)程中要求印制板上各類器件具有良好的溫度一致性，這里要求印制板頂面溫度分布均勻[6]。

本文在熱控功能層設(shè)計(jì)了加熱電路，通過(guò)埋置薄膜方塊電阻作為加熱電阻，實(shí)現(xiàn)自加熱功能，用于電子設(shè)備低溫時(shí)的補(bǔ)償加熱。該電阻具有穩(wěn)定性好、電阻溫度系數(shù)低和工藝成熟等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各類高頻、高密度印制板中[7]。加熱電路的設(shè)計(jì)是以印制板的子區(qū)域?yàn)榛A(chǔ)開(kāi)展的，設(shè)計(jì)時(shí)需結(jié)合加熱功率需求，綜合考慮印制板電路布局、加熱電路主備份、加熱供電特性和溫控區(qū)域溫度均勻性等因素。

2 印制板加熱性能分析

為了評(píng)估自熱式印制板加熱性能，對(duì)其開(kāi)展仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)。在熱分析建模過(guò)程中，假設(shè)印制板中各子區(qū)域的大小和結(jié)構(gòu)布局均一致，所以僅對(duì)單個(gè)子區(qū)域進(jìn)行分析。仿真模型如圖2所示，熱控層位于靠近印制板底層的區(qū)域，頂層表面為溫控區(qū)域。熱控層與底層之間無(wú)接地層，其距離為0.35 mm，假設(shè)導(dǎo)熱系數(shù)為0.6 W/(m·K),且各向同性。熱控層和頂層之間有多個(gè)功能層，包含多個(gè)接地層，距離為h，該區(qū)域?qū)嵯禂?shù)受印制板接地層電路布局影響。在熱控層內(nèi)均勻布置共m×n個(gè)加熱電阻(m為電阻行數(shù)、n為電阻列數(shù))，每個(gè)子區(qū)域的尺寸為42 mm×42 mm，加熱總功率為0.35 W。在仿真過(guò)程中，每個(gè)子區(qū)域X向、Y向邊界為周期性邊界，頂層和底層為絕熱邊界，環(huán)境溫度設(shè)為20 ℃。

圖2 仿真模型

由于加熱電阻分散布置印制板中，在補(bǔ)償加熱過(guò)程中印制板存在溫度不一致的現(xiàn)象，這里將采用溫度均勻性來(lái)評(píng)判，其定義印制板溫控區(qū)域表面溫度的最大值和最小值之差為ΔT1。通常情況下，星載產(chǎn)品在真空熱試驗(yàn)系統(tǒng)中要求溫度測(cè)量精度為0.30 ℃，因此本文要求電加熱過(guò)程中溫控區(qū)域溫度均勻性優(yōu)于該測(cè)溫精度，即印制板溫控區(qū)域溫度差ΔT1≤0.30 ℃。

另外，印制板在補(bǔ)償加熱過(guò)程中，加熱電阻區(qū)域溫度高于其他區(qū)域，導(dǎo)致印制板內(nèi)存在局部熱點(diǎn)，需要對(duì)此溫度差異進(jìn)行關(guān)注，這里定義ΔT2為加熱電阻與印制板溫控區(qū)域的溫度差。

2.1 加熱性能分析

圖3給出了工作5 min后印制板頂層和底層的表面溫度分布。該印制板中在每個(gè)子區(qū)域內(nèi)設(shè)置有4×3個(gè)加熱電阻，每個(gè)加熱電阻的尺寸為2 mm×2 mm，熱控層到頂層厚度h為2 mm，該區(qū)域水平方向等效導(dǎo)熱系數(shù)Kxy和垂直方向等效導(dǎo)熱系數(shù)Kz分別為5 W/(m·K)和0.6 W/(m·K)。由圖3可知，在工作5 min后，頂層的最高溫度為32.70 ℃，溫差ΔT1=0.25 ℃，底面最高溫度為37.60 ℃，該面的溫差達(dá)5.20 ℃。可見(jiàn)，對(duì)于印制板頂面區(qū)域，由于有接地層中有覆銅層，在Kxy較大時(shí)，擴(kuò)熱效果較好，頂面(即溫控區(qū)域)的溫度一致性較好，而熱控層與底面的區(qū)域XY向?qū)嵯禂?shù)較小，相應(yīng)的底面溫度一致性較差。

圖3 印制板表面溫度分布

圖4為不同時(shí)刻各個(gè)部分的溫度差異，可見(jiàn)，頂層表面溫度差ΔT1以及溫控區(qū)域與加熱電阻的溫度差ΔT2，在加熱過(guò)程中隨時(shí)間變化很小，在工作5 min后，加熱電阻的最高溫度達(dá)到37.90 ℃，與底面最高溫度相當(dāng)。

圖4 不同時(shí)刻的溫度差異

2.2 加熱電阻布局及導(dǎo)熱性能影響

印制板中，器件位置、過(guò)孔布置等制約加熱電阻及電路布局設(shè)計(jì)，而印制板材料的選擇和接地電路的布局等將影響印制板的導(dǎo)熱性能。這些均直接影響溫控區(qū)域的均溫特性，需進(jìn)行優(yōu)化分析和評(píng)估。

表1為不同條件下印制板溫控區(qū)域溫度差，這里基于h=2 mm，分別考慮了4×4、4×3、3×3、3×2和2×2等5種布局下，Kxy由1 W/(m·K)增大到12 W/(m·K)時(shí)的印制板溫度分布狀況。可見(jiàn)，在相同的Kxy下，加熱電阻布置得越多，溫控區(qū)域的均溫性越好。而相同布局時(shí)，Kxy越大，印制板溫控區(qū)域的均溫性越好，頂層表面溫度的差異越小。

表1 不同布局下溫控區(qū)域溫度差(ΔT1)

圖5為不同條件下溫控區(qū)域和加熱電阻的溫差(ΔT2)的變化情況，可見(jiàn)，在相同Kxy下，加熱電阻數(shù)量越多，ΔT2越小。相同布局時(shí)，加熱電阻布置得越密，ΔT2隨Kxy變化越小。如在子區(qū)域內(nèi)4×4布局時(shí)，Kxy由1 W/(m·K)增大到12 W/(m·K)時(shí)，ΔT2由4.60 ℃減小到3.80 ℃，而2×2布局時(shí)，ΔT2由18.50 ℃減小到15.20 ℃。

印制板垂直方向?qū)嵯禂?shù)(Kz)對(duì)加熱性能的影響情況如圖6所示。由圖6可知，隨著Kz增大，加熱電阻產(chǎn)生的熱量快速往印制板頂面?zhèn)鬟f，這導(dǎo)致頂面區(qū)域溫度差異不斷增大，而加熱電阻和頂面的溫差不斷減小。當(dāng)Kz由0.15 W/(m·K)增至5 W/(m·K)時(shí)，ΔT1由0.06 ℃增大到0.69 ℃，ΔT2由7.90 ℃減小到3.90 ℃。

圖5 不同布局下ΔT2隨導(dǎo)熱性能變化情況

圖6 不同Kz時(shí)的ΔT1和ΔT2

2.3 結(jié)構(gòu)尺寸影響

圖7為不同加熱電阻大小下印制板加熱性能的變化情況，分別考慮加熱電阻大小為1 mm×1 mm和2 mm×2 mm的2種情況?？梢?jiàn)，隨著加熱電阻尺寸的增大，溫控區(qū)域與加熱電之的溫差ΔT2不斷減小，而溫控區(qū)域溫差ΔT1的變化卻很小。這是由于在加熱功率一定時(shí)，隨著加熱電阻尺寸的增大，加熱電阻局部區(qū)域熱流密度減小，相應(yīng)的溫度也會(huì)較低，其和頂面的溫差隨之減小，而頂面溫控區(qū)域的溫差ΔT1主要受印制板布局和導(dǎo)熱性能影響，變化很小。

圖7 加熱電阻大小對(duì)加熱性能影響

圖8為不同h時(shí)印制板加熱性能的變化情況?？梢?jiàn)，隨著h增大，頂面溫控區(qū)域溫度差異不斷減小，而加熱電阻和頂面的溫差不斷增大。當(dāng)h由1 mm增大到2.5 mm時(shí)，ΔT1由1.45 ℃減小到0.15 ℃，ΔT2由4.70 ℃增大到5.60 ℃。

圖8 不同h時(shí)的ΔT1和ΔT2

2.4 熱力特性分析

通過(guò)上述分析可知，自熱式印制板在加熱過(guò)程中，加熱電阻相對(duì)其他區(qū)域的存在較大溫差，該溫差將會(huì)導(dǎo)致印制板內(nèi)部產(chǎn)生熱變形，需評(píng)估其對(duì)印制板力學(xué)特性的影響。為此，本文基于加熱電阻的自熱式印制板，開(kāi)展了力學(xué)仿真分析。針對(duì)圖2所示的多層印制板進(jìn)行建模，由于在印制板內(nèi)部，加熱電阻為均勻分布，所以在對(duì)仿真模型進(jìn)行簡(jiǎn)化時(shí)，仿真區(qū)域取以單個(gè)2 mm×2 mm加熱電阻為中心的10.5 mm×10.5 mm區(qū)域，并考慮了不同ΔT2溫差下印制板的力學(xué)特性。

表2為不同ΔT2下印制板的最大變形和最大應(yīng)力情況?？梢?jiàn)，在印制板自加熱過(guò)程中，隨著加熱電阻與熱區(qū)域溫差ΔT2的增大，印制板內(nèi)的最大變形和應(yīng)力呈線性增大，當(dāng)ΔT2=20.00 ℃時(shí)，最大變形為3 μm，最大應(yīng)力為17.7 MPa，可滿足在安全系數(shù)為1.5時(shí)安全裕度要求[8]。

表2 不同ΔT2下印制板力學(xué)特性

在自熱式印制板設(shè)計(jì)時(shí)，需對(duì)印制板電路及加熱電阻布局、結(jié)構(gòu)參數(shù)等進(jìn)行優(yōu)化，使得印制板加熱性能需滿足溫控區(qū)域溫度均勻性，同時(shí)應(yīng)盡量減小加熱電阻與其他區(qū)域的溫差，降低印制板內(nèi)部熱變形及熱應(yīng)力。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

本自熱式印制板樣件共有12層，各層功能分布如圖9所示。其中，有4層接地層，頂層為表面覆銅，第9層為熱控層，在42 mm×42 mm的子區(qū)域內(nèi)按3×4方式布置加熱電阻，電阻為2 mm×2 mm的薄膜方阻，介質(zhì)板材料為CLTE-XT?；谠摻Y(jié)構(gòu)，熱控層與頂層之間區(qū)域的等效導(dǎo)熱系數(shù)Kxy和Kz分別為8 W/(m·K)和0.5 W/(m·K)，熱控層與頂層之間區(qū)域的導(dǎo)熱系數(shù)為0.5 W/(m·K)。

圖9 印制板樣件各功能層分布

針對(duì)印制板樣件，開(kāi)展了加熱性能測(cè)試，采用紅外測(cè)溫儀分析對(duì)頂面和底面的溫度進(jìn)行了監(jiān)測(cè),結(jié)果如圖10所示。

圖10 印制板溫度分布

圖10為工作5 min后印制板表面的溫度分布,其測(cè)試條件如下：初始溫度為17.50 ℃，加熱功率按面平均200 W/m2的熱流密度進(jìn)行加載。分析圖10可知，在印制板的頂面即溫控區(qū)域，由于內(nèi)部接地層覆銅的均熱作用，溫度場(chǎng)差異為0.50 ℃(圖中27.90 ℃點(diǎn)為印制板過(guò)孔區(qū)域)，而在底面溫度差異較大，約為5.00 ℃，和2.1節(jié)溫度分布趨勢(shì)基本一致，但和表1對(duì)應(yīng)的仿真分析結(jié)果相比，頂面的溫度一致性相對(duì)較差。這是由于在測(cè)試過(guò)程中，空氣對(duì)流作用以及紅外測(cè)溫儀測(cè)試誤差等原因?qū)е碌摹?/p>

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)在多層印制板中埋置高效的加熱電阻，設(shè)計(jì)了一種自熱式印制板，以滿足高密度集成的星載電子設(shè)備補(bǔ)償加熱需求?；跀?shù)值仿真分析了自熱式印制板電路及加熱電阻布局、導(dǎo)熱性能、結(jié)構(gòu)參數(shù)等對(duì)加熱性能的影響規(guī)律，評(píng)估了加熱過(guò)程對(duì)印制板力學(xué)特性的影響情況，并完成樣件研制和試驗(yàn)驗(yàn)證。研究結(jié)果顯示，自熱式印制板在設(shè)計(jì)時(shí)，除保證溫控區(qū)域的溫度均勻性外，還需關(guān)注加熱電阻與溫控區(qū)域的溫度差異，以控制印制板內(nèi)部的熱變形及熱應(yīng)力。本研究結(jié)論對(duì)指導(dǎo)其他集成加熱功能的一體化部件設(shè)計(jì)也具有借鑒意義。