星載DBF單機(jī)熱設(shè)計(jì)

靳含飛

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司 第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0 引言

DBF單機(jī)的功能是將天線陣列單元接收到的射頻回波信號(hào)無失真地變頻成中頻信號(hào)，再變換成數(shù)字信號(hào)，然后在高速數(shù)字波束形成計(jì)算機(jī)中進(jìn)行加權(quán)和視頻數(shù)字全程處理，以形成所需的靈活、高質(zhì)量接收波束[1]。某星載DBF單機(jī)是數(shù)字陣列體制星載有源相控陣系統(tǒng)的重要組成部分，其性能直接影響相控陣系統(tǒng)的分辨率、波束指向精度等關(guān)鍵指標(biāo)，其可靠性水平直接關(guān)系到整個(gè)相控陣系統(tǒng)能否在軌穩(wěn)定工作[2]。目前，對(duì)星載DBF單機(jī)的要求是體積小、重量輕，但是功率器件的熱耗、熱流密度卻越來越高。熱失效是電子設(shè)備的主要故障模式之一，因此星載DBF單機(jī)的熱設(shè)計(jì)對(duì)提高其性能及可靠性至關(guān)重要。本文針對(duì)星載DBF單機(jī)的熱設(shè)計(jì)，除了采用常規(guī)的表面熱控涂層強(qiáng)化輻射，還采用了均熱板技術(shù)。與組件殼體一體化設(shè)計(jì)的鋁制均熱板將芯片熱量高效傳導(dǎo)至底板，降低芯片與底板之間的溫差，從而降低芯片的最高工作溫度，提高芯片之間的溫度一致性。通過熱分析計(jì)算和熱測(cè)試的驗(yàn)證，鋁制均熱板的熱設(shè)計(jì)方案滿足DBF單機(jī)的散熱需求，從而為星載電子設(shè)備的熱設(shè)計(jì)方案優(yōu)化提供了一種新的方法。

1 DBF單機(jī)結(jié)構(gòu)

DBF單機(jī)由DBFA和DBFB兩部分組成，相互之間通過螺釘連接成一個(gè)整體，再通過底部支耳上的4個(gè)螺釘固定在艙內(nèi)安裝板上。DBF單機(jī)結(jié)構(gòu)布局如圖1所示。

DBFA殼體分左、右兩個(gè)腔體，中間為基板。DBFA基板兩側(cè)各安裝一塊印制板，在殼體兩側(cè)安裝蓋板，具體如圖2所示。

DBFB結(jié)構(gòu)與DBFA基本相同，只是一側(cè)與DBFA共用蓋板，具體如圖3所示。

圖1 DBF單機(jī)結(jié)構(gòu)布局 圖2 DBFA外形圖(去除蓋板) 圖3 DBFB外形圖(去除蓋板)

DBFA或DBFB模塊殼體和蓋板均為6系鋁合金材料，中間基板厚度為4 mm，結(jié)構(gòu)總重量為4.2 kg。

2 DBF單機(jī)熱設(shè)計(jì)

星載電子設(shè)備的熱失效是影響其可靠性的主要故障模式之一，熱設(shè)計(jì)的目的是將設(shè)備內(nèi)所有元器件的溫度控制在規(guī)定的范圍內(nèi)，并將設(shè)備內(nèi)的溫差減至最小，以保證電子設(shè)備的正常工作[3]。

2.1 熱邊界條件

DBF單機(jī)安裝在艙內(nèi)安裝板上，整星熱控在相應(yīng)位置布置了熱管，用于其溫度控制。整星熱控確定DBF單機(jī)底板的最高溫度為+55 ℃，真空度要求不高于6.65×10-3Pa。

DBFA兩側(cè)安裝的兩塊印制板互為備份，不同時(shí)工作，單塊印制板熱耗為106 W，其主要芯片的熱耗及結(jié)溫指標(biāo)要求如表1所示。

DBFB與DBFA的布局一致，兩塊印制板互為備份，單塊印制板熱耗為106 W。

2.2 熱設(shè)計(jì)方案

在空間真空環(huán)境下，星載電子設(shè)備內(nèi)元器件的傳熱方式只有傳導(dǎo)和輻射兩種方式。對(duì)于DBF單機(jī)等艙內(nèi)設(shè)備而言，電子元器件的熱量主要通過傳導(dǎo)或輻射的途徑傳至機(jī)殼或底板，再通過機(jī)殼輻射將熱量排放至艙內(nèi)或通過底板傳導(dǎo)至艙內(nèi)安裝板[4]。元器件密閉在機(jī)殼內(nèi)部，設(shè)備輻射散熱的效能較低，因此DBF單機(jī)散熱的主要途徑是熱傳導(dǎo)。DBF單機(jī)的熱設(shè)計(jì)主要思路如下：

(1) 將印制板上的功率芯片外殼的頂面與中間的底板直接接觸，將熱量直接傳導(dǎo)至基板。

(2) 盒體中間的基板與安裝底板整體設(shè)計(jì)成T型均熱板，將大部分熱量高效傳導(dǎo)至底板，最后通過底板將熱量傳導(dǎo)給整星熱控。

(3) 單機(jī)的機(jī)殼外露部分均采用高發(fā)射率的熱控涂層，將部分熱量輻射至艙內(nèi)環(huán)境。

表1 DBF芯片熱耗統(tǒng)計(jì)表

DBFA或DBFB模塊左右兩側(cè)的印制板均安裝在中間基板上，為了能將功率器件的熱量直接傳導(dǎo)至基板，縮短傳熱路徑，在基板兩側(cè)設(shè)計(jì)高度不一的散熱凸臺(tái)，凸臺(tái)頂面與功率器件的外殼頂面直接接觸。但器件與散熱凸臺(tái)接觸時(shí)，接觸面存在縫隙，且在真空條件下接觸熱阻顯著增大，為減小接觸熱阻，在兩者之間填充導(dǎo)熱硅脂。

DBFA或DBFB模塊殼體基板厚度僅為4 mm，如果熱量直接從基板傳導(dǎo)至底板，溫差較大，且部分功率芯片熱流密度達(dá)到25 W/cm2，局部熱量集中，溫升較高，無法滿足器件耐溫指標(biāo)。因此需要采用新技術(shù)，將高熱流密度分散后高效傳導(dǎo)至底板，方能解決上述問題。均熱板由殼體、吸液芯和蒸汽腔等三部分組成，內(nèi)部含有相變傳熱工質(zhì)，均熱板工作原理如圖4所示[5]。均熱板的具體工作循環(huán)原理為：①工質(zhì)在蒸發(fā)端吸收熱源的熱量并蒸發(fā)；②蒸汽在壓差作用下流向冷凝端；③蒸汽在冷凝端經(jīng)外部散熱并冷凝；④冷凝端液體在毛細(xì)壓力作用下重返蒸發(fā)端進(jìn)行工作循環(huán)[6]。均熱板相比熱管，實(shí)現(xiàn)了二維平面的相變傳熱，其整體當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)更高。將殼體的實(shí)體基板改為中空的均熱板，整體重量也會(huì)下降。

圖4 均熱板工作原理圖

本文采用鋁合金均熱板技術(shù)，將DBFA和DBFB模塊殼體的基板和底板整體設(shè)計(jì)成T型均熱板，將功率芯片的熱量分散，降低熱流密度，同時(shí)通過內(nèi)部工質(zhì)的相變將其高效傳導(dǎo)至底板，降低傳導(dǎo)溫差。因此在底板溫度一定的情況下，均熱板技術(shù)的應(yīng)用，不僅可以使得DBF單機(jī)所有元器件的最高工作溫度降低；同時(shí)可以使得不同功率芯片之間溫差減小，提高其溫度一致性，從而可以避免熱失效，提高DBF單機(jī)的可靠性。同時(shí)由于鋁制均熱板內(nèi)部為空心結(jié)構(gòu)，在外形尺寸不變的情況下，其重量大幅降低，DBFA和DBFB總重量?jī)H為3 kg，較原結(jié)構(gòu)整體減重1.2 kg。

提高殼體表面的輻射效率可以進(jìn)一步提高散熱效果。本文在DBFA和DBFB的外露表面采用黑色陽極氧化，提高了表面的發(fā)射率，提高了DBF單機(jī)向艙內(nèi)環(huán)境散熱的效率。

3 DBF單機(jī)熱分析

3.1 仿真模型

利用FLOEFD軟件對(duì)DBF單機(jī)進(jìn)行熱分析，按照DBF單機(jī)結(jié)構(gòu)建立仿真模型。根據(jù)傳熱特性，對(duì)熱性能影響可忽略的模型細(xì)節(jié)進(jìn)行了簡(jiǎn)化：

(1) 刪除了倒角、圓角、圓孔等。

(2) 忽略螺釘、連接器零件。

(3) DBFA和DBFB發(fā)熱芯片按照實(shí)際大小建模，但簡(jiǎn)化印制板，刪除其他元器件。

3.2 參數(shù)設(shè)置

熱仿真的主要參數(shù)設(shè)置如下：

(1) 底板的溫度設(shè)置為+55 ℃，無地球重力影響。

(2) 芯片熱耗按照實(shí)際大小設(shè)置，DBFA和DBFB模塊各106 W。

(3) 熱耗單機(jī)殼體外表面發(fā)射率設(shè)置為0.85，單機(jī)殼體內(nèi)表面發(fā)射率設(shè)置為0.4。

(4) 芯片與殼體直接接觸熱阻設(shè)置為5×10-5m2·K/W。

(5) 殼體材料按照6063鋁合金材料特性設(shè)置，導(dǎo)熱系數(shù)為201 W/(m·K)，均熱板按照其腔體體積建為實(shí)體模型，等效熱導(dǎo)率設(shè)置為1 000 W/(m·K)，印制板按照FR-4特性設(shè)置，導(dǎo)熱系數(shù)為0.3 W/(m·K)。

3.3 仿真結(jié)果

對(duì)簡(jiǎn)化后的模型劃分網(wǎng)格，設(shè)置參數(shù)后進(jìn)行求解。得到的DBF單機(jī)整體溫度分布如圖5所示，DBFA芯片表面溫度分布如圖6所示，DBFB芯片表面溫度分布如圖7所示。

圖5 DBF單機(jī)整體溫度云圖

圖6 DBFA芯片表面溫度

由圖6仿真結(jié)果可知：DBFA仿真最高殼溫為U2芯片的70.91 ℃；結(jié)合芯片的結(jié)殼熱阻進(jìn)行分析，最高結(jié)溫為D3芯片的77.31 ℃。DBFA所有芯片結(jié)溫均滿足不大于85 ℃指標(biāo)要求，具體如表2所示。

表2 DBFA仿真結(jié)果分析

由圖7可知：DBFB仿真最高殼溫為N4芯片的71.46 ℃；結(jié)合芯片的結(jié)殼熱阻進(jìn)行分析，芯片最高結(jié)溫為D3芯片的77.76 ℃。DBFB所有芯片結(jié)溫均滿足不大于85 ℃指標(biāo)要求，具體如表3所示。

圖7 DBFB芯片表面溫度

表3 DBFB仿真結(jié)果分析

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

星載DBF單機(jī)結(jié)構(gòu)加工完成后，設(shè)計(jì)模擬熱源，開展熱真空模擬測(cè)試，驗(yàn)證熱設(shè)計(jì)方案。因DBFA與DBFB熱源大小及結(jié)構(gòu)基本一致，因此僅對(duì)DBFA進(jìn)行了熱測(cè)試。如圖8所示，在真空試驗(yàn)箱內(nèi)將DBFA結(jié)構(gòu)殼體安裝在恒溫冷板上，在安裝面保持恒溫55 ℃的條件下,對(duì)各模擬熱源的殼溫進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以驗(yàn)證熱設(shè)計(jì)的效果。

圖8 熱真空測(cè)試試驗(yàn)

經(jīng)驗(yàn)證，熱真空試驗(yàn)過程中所有芯片均能正常工作，主要功率芯片的結(jié)溫監(jiān)測(cè)結(jié)果和仿真結(jié)果對(duì)比如表4所示。

表4中，模擬熱源的殼溫與仿真結(jié)果基本一致，偏差不大于2 ℃。溫度偏差主要是由于均熱板采用當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)等效，接觸熱阻與仿真設(shè)置可能也有偏差等導(dǎo)致。但根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，采用均熱板顯著降低了傳導(dǎo)熱阻，功率器件均能滿足一級(jí)降額工作的要求。

表4 熱真空試驗(yàn)與仿真結(jié)果對(duì)比

5 結(jié)束語

本文在某DBF單機(jī)熱設(shè)計(jì)中，采用了與模塊殼體一體化的鋁制均熱板方案，減輕了設(shè)備重量，提升了熱傳導(dǎo)性能。熱仿真分析和熱真空試驗(yàn)的結(jié)果表明鋁制均熱板大幅降低了傳導(dǎo)溫差，滿足了設(shè)備一級(jí)降額的熱控需求。本文采用與模塊殼體一體化設(shè)計(jì)的鋁制均熱板方案，為星載電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)方案優(yōu)化、減輕設(shè)備重量等提供了新的設(shè)計(jì)思路，對(duì)星載電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)具有很好的借鑒意義。