長壽命空間遙感器大功率電控箱熱設(shè)計

王鳳麗，鄭洪波，孫麗崴

(中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所紅外探測與成像技術(shù)重點實驗室，上海 200083)

1 引言

隨著空間遙感器功能和性能要求的不斷提高，大規(guī)模集成電路和功率元器件在空間遙感器中應(yīng)用越來越多，但空間遙感器在軌工作壽命要求不斷延長，電子產(chǎn)品全壽命周期內(nèi)正常工作對可靠性、安全性提出了新的挑戰(zhàn)。電子元器件有效工作溫度一般為-15℃～85℃，長時間的高溫工作將嚴重影響其工作壽命。有統(tǒng)計顯示各種元件的故障率隨著自身溫度的升高而成指數(shù)關(guān)系變化，其失效原因有55%歸結(jié)于溫度超過器件規(guī)定值[1-2]。如果熱設(shè)計不到位，就會導(dǎo)致電子元件局部或整體處于較高的溫度下失效或損壞，或到產(chǎn)品壽命后期出現(xiàn)嚴重的故障。因此對空間遙感器電子設(shè)備進行可靠的熱設(shè)計，實施有效的熱控制措施是提高設(shè)備工作可靠性的關(guān)鍵步驟之一[3-4]。目前國外的電子設(shè)備熱控技術(shù)的理論及應(yīng)用已經(jīng)較為完善成熟，并廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。而且國外已經(jīng)開發(fā)出成熟的算機輔助熱分析軟件計算電子設(shè)備的溫度用于評估電子設(shè)備散熱措施[5-7]。國內(nèi)相關(guān)技術(shù)也有一定的發(fā)展，并取得了不少研究成果[5，8-9]。不過對于空間應(yīng)用的電子產(chǎn)品的熱控技術(shù)在創(chuàng)新性和探索性的研究較少?？臻g電子設(shè)備具有高集成度和高熱流密度的特點。需要進行系統(tǒng)統(tǒng)籌規(guī)劃，在保證熱設(shè)計高效合理的同時，要求具有高可靠性和長使用壽命。

本文設(shè)計的電控機箱內(nèi)即包含大量的直流電源轉(zhuǎn)換器、大規(guī)模集成電路、AD轉(zhuǎn)換器等多種大功率器件，又包含多種溫度敏感芯片。針對某長壽命空間遙感器七年長壽命指標要求。對電控機箱采用有限元數(shù)值分析的方法計算元器件的溫度，設(shè)計相應(yīng)的散熱措施，再評估元器件的溫度。依據(jù)空間運行環(huán)境的要求，進行電控機箱熱試驗驗證了熱設(shè)計的有效性。在真空環(huán)境、溫度環(huán)境60℃的情況下，電控箱內(nèi)部元器件最高工作溫度(結(jié)溫)均低于一級降額熱控溫度指標85℃。

2 設(shè)計過程與實現(xiàn)

2.1 內(nèi)部電路概述

電控箱由多塊側(cè)板圍成，根據(jù)電路板(PCB)功能的不同分為電源板，底板和信號處理板三種類型。機箱內(nèi)有2塊電源板、1塊底板，14塊信號處理板。14塊信號處理板通過可插拔的分離接插件與底板相連。單板的材料為PCB，厚度2mm。盡可能增大多層覆銅單板中覆銅層的厚度與面積(覆銅層厚度35μm，面積約占80%以上)，加強單板本身的散熱能力，并利用多層覆銅單板中的接地銅層做導(dǎo)熱層。機箱內(nèi)大功率期間主要為直流電源轉(zhuǎn)換器件、AD轉(zhuǎn)換器及FPGA等大規(guī)模集成電路。直流電源轉(zhuǎn)換器主要集中在電源板上，AD轉(zhuǎn)換器和FPGA等大規(guī)模集成電路分散于各信號處理板。機箱內(nèi)部各單板的分布見圖1所示。

2.2 設(shè)計原則

根據(jù)單板的類型確定了不同的安裝方式：電源板直接固定在散熱板上，構(gòu)成電源板組件，并作為機箱側(cè)板的一部分；信號處理板先固定在機械結(jié)構(gòu)壓條上，構(gòu)成電路板組件后，插入到機箱內(nèi)。信號處理板的底部有內(nèi)部接插件，直接插入到底板對應(yīng)的接插件內(nèi)，其壓條通過螺釘固定在機箱的側(cè)壁上；底板直接固定在箱體側(cè)壁或底座上，其上有內(nèi)部接插件的插座與功能板上的內(nèi)部接插件插頭配合。單板的外部接插件一般在壓條一側(cè)。

電控箱箱體材料為鋁合金(2A12)，機殼熱容量為900 J/kg℃，表面進行黑色陽極氧化處理，發(fā)射率為0.85，熱導(dǎo)率170W/m℃。機箱安裝面的平面度為0.1/200mm×200mm，粗糙度為3.2μm。

電路板的在機械箱內(nèi)的排布如圖1所示。

圖1 電控箱布局圖

根據(jù)任務(wù)要求，需對200mW以上的元器件進行熱設(shè)計。熱設(shè)計如下所述：

1) 將電源板元器件通過導(dǎo)熱絕緣膜安裝在散熱鋁板上，并使得鋁板與機殼良好接觸，從而將熱量傳導(dǎo)至機殼；

2) 為減小單板與機箱殼體之間的導(dǎo)熱熱阻，在接觸面處填導(dǎo)熱填料，加強單板與機殼的傳熱；

3) 在元器件與PCB板的接觸界面之間填充導(dǎo)熱填料，減少安裝面接觸熱阻，加強傳熱；

4) 根據(jù)熱分析結(jié)果，高溫元器件的頂部安裝散熱片，散熱片用螺栓固定在PCB板上，另一端通過螺栓固定在壓條、壓條固定架或者電源散熱板上，將高溫元器件熱量傳導(dǎo)至機殼。

5) 為增大輻射傳熱，對元器件表面及整個機箱進行黑色陽極氧化處理。

依據(jù)以上原則，制定空間遙感器電控箱熱設(shè)計流程如圖2所示。

圖2 電控箱熱設(shè)計流程圖

熱設(shè)計分三個級別進行：單板、電控箱箱體、單板與箱體之間的熱耦合。熱設(shè)計完全基于有限元仿真結(jié)果，通過趨勢的分析判斷，指導(dǎo)元器件在電路板上的布局及相應(yīng)熱控措施的制定。當計算結(jié)果達到熱控指標時，才進行實物的投產(chǎn)。實物熱實施后進行熱試驗，通過試驗驗證熱控措施的有效性，并反過來修正有限元模型。

2.3 單板設(shè)計

對每塊單板進行熱分析，特別是針對功率大于200mW以上的元器件，分析后元器件結(jié)溫度超過85℃的器件分別采取散熱措施。根據(jù)不同器件的溫度，設(shè)計不同的散熱片，以達到散熱效果。

2.4 機箱設(shè)計

機箱采用具有高導(dǎo)熱率的鋁合金制造，導(dǎo)熱系數(shù)170W/m℃。在機箱與單板之間的接觸面處填導(dǎo)熱填料，以減小單板與機箱殼體之間的導(dǎo)熱熱阻，加強單板與機殼的傳熱。為了使得機箱內(nèi)的熱量更好地傳導(dǎo)至安裝板，要求安裝平面度小于0.1/200mm×200mm，粗糙度小于3.2μm。機箱安裝接觸面積足夠大。機箱殼體內(nèi)外表面(除安裝面外)進行黑色陽極氧化處理，發(fā)射率大于0.85。

2.5 單板與機箱的導(dǎo)熱耦合設(shè)計

為了防止單板上大功耗元器件熱量積聚而產(chǎn)生局部高溫，將單板左右兩側(cè)鑲嵌到機殼(導(dǎo)槽深度3.2mm)，放置在框架的凸臺上，并通過螺釘固定，實現(xiàn)熱量更好地傳導(dǎo)到機殼上。在單板焊好后進行儀器裝配時，在單板與導(dǎo)槽的接觸面填導(dǎo)熱填料以加強傳熱。

3 熱仿真分析

熱設(shè)計主要針對功耗較大的電源板及具有200mW以上元器件的電路板。使用傳統(tǒng)的散熱措施：電源板上將元器件通過導(dǎo)熱絕緣膜安裝在鋁板上，由鋁板與機殼接觸將熱量傳導(dǎo)至機殼，對分布有大功耗元器件的電路板，根據(jù)熱分析結(jié)果對各機箱中的高溫元器件頂部安裝散熱片，進行熱分析。

3.1 輸入條件

熱分析高溫邊界條件為電箱安裝底面及環(huán)境溫度為60℃。

其中電控箱中功耗200mw以上的中元器件具體情況如表1所示。

表1 電控箱中元器件參數(shù)

電控箱各電路板具體覆銅情況如下表2所示，其中覆銅層每層厚度約35μm。

表2 電路板覆銅情況

3.2 計算結(jié)果

對于各元器件，計算結(jié)果溫度為其殼溫，可通過結(jié)殼轉(zhuǎn)化公式計算得其最高結(jié)溫。結(jié)溫不大于85℃，為安全設(shè)計標準。

電子元器件結(jié)溫與殼溫之間的換算公式為

Tj=Tα+Pθjα

(1)

Tj—結(jié)溫，℃

Tα—殼溫，℃

P—功率，W

θjα—結(jié)-外殼電阻，℃/W

通過熱仿真計算發(fā)現(xiàn)，結(jié)溫高的器件集中出現(xiàn)在一塊電路板上。最高溫度的幾個元器件具體溫度數(shù)據(jù)表3所示。

表3 電控箱中元器件溫度情況1

從計算結(jié)果看，有元器件結(jié)溫超過85℃，不滿足指標要求，如表3所示。對器件加散熱片后，再進行熱仿真計算，結(jié)果仍有元器件溫度超標?？梢娚崞蛔阋詫⒃骷a(chǎn)生的熱量全部散發(fā)。需要增加傳導(dǎo)措施。遂在高溫的元器件施加散熱片的同時增加微型熱管。熱端與高溫器件散熱片連接，冷端與機殼連接，減小傳熱熱阻，增大散熱能力。熱管具體設(shè)計如下：

1) 熱量集中的這塊電路板上布置兩根9mm×9mm的小熱管，分別于兩側(cè)機箱熱量導(dǎo)通，如圖3所示；

2) 熱量集中的區(qū)域，將機箱側(cè)板與機箱底板用四根9mm×9mm小熱管熱量導(dǎo)通，如圖4所示。

圖3 中波可見板小熱管示意圖

圖4 機箱側(cè)板與底板小熱管示意圖

根據(jù)再設(shè)計的方案再次進行熱分析計算，最高溫度的器件列表如表4所示。

表4 電控箱中元器件溫度情況2

兩此熱分析結(jié)溫較高的電路板溫度分布如圖5和圖6所示。圖6可以明顯看出，熱量分布更加均勻，電路板整體溫度降低了，同時元器件U4最高殼溫度也由90.9℃(結(jié)溫98.1℃)降低到73.4℃(結(jié)溫80.6℃)。

圖5 熱措施前PCB板溫度分布

圖6 熱措施后PCB板溫度分布

4 熱試驗驗證

為獲取真實環(huán)境下電控箱中大功率元器件溫度數(shù)據(jù)，驗證熱設(shè)計的正確性，對電控箱進行了熱平衡試驗。

電控箱置于溫控小倉內(nèi)，溫控小倉放置于真空罐內(nèi)。電控箱線纜及測溫線通過罐內(nèi)轉(zhuǎn)接頭引出。罐體內(nèi)真空度控制在1×10-3Pa，溫度60±0.5℃。經(jīng)過近12個小時時間后溫度穩(wěn)定，開始進行高溫熱平衡試驗。

圖7 試驗現(xiàn)場照片

通過粘貼在敏感器件表面的熱敏電阻讀出各溫度數(shù)據(jù)，溫度較高的器件溫度如表5所列。

表5 計算數(shù)據(jù)與試驗數(shù)據(jù)

試驗全程電子學(xué)開機，監(jiān)測信號變化，觀測圖如8所示。

圖8 電子學(xué)信號圖

試驗結(jié)果顯示，敏感器件最高溫度74.142℃，滿足指標要求。通過電子學(xué)信號監(jiān)測，全程波動范圍在正常合理誤差范圍內(nèi)，由此說明試驗成功，熱控設(shè)計有效。

5 結(jié)論

對含有大功率元器件的PCB板的電單機逐級建模，進行熱仿真分析，通過設(shè)計仿真分析迭代，獲得了一種有效傳熱的設(shè)計方案。仿真分析顯示當熱措施實施前溫度最高的元器件殼溫為90.9℃(結(jié)溫98.1℃)，不滿足指標要求。通過散熱片的設(shè)計、微型熱管的有效布局，使元器件殼溫下降至73.4℃(結(jié)溫80.6℃)。再輔以熱平衡試驗的驗證，最高溫元器件試驗實際測量值74.142℃。在這個實驗過程中，電子學(xué)信號穩(wěn)定，未出現(xiàn)任何異常。仿真數(shù)據(jù)與試驗數(shù)據(jù)基本吻合，說明熱分析方法有效。同時說明熱措施到位，有效疏導(dǎo)了元器件產(chǎn)生的熱量。保證了電子元器件在空間中正常工作。該方法可為其它型號產(chǎn)品提供技術(shù)借鑒。