星載電子設(shè)備散熱凸臺(tái)設(shè)計(jì)與返修方法*

曹 健，彭 鑫，劉江濤，梁大鵬，徐曉靜，周鵬飛

（中國(guó)空間技術(shù)研究院西安分院，陜西 西安 710199）

引 言

在星載電子設(shè)備中，將散熱器件和冷板上的散熱凸臺(tái)貼合，通過(guò)散熱凸臺(tái)將熱量傳至冷板，再將冷板上的熱量通過(guò)傳導(dǎo)、輻射方式帶走，是星載電子設(shè)備常見(jiàn)的散熱方式之一。由于散熱凸臺(tái)加工誤差和散熱器件裝焊誤差的存在，需要預(yù)留間隙，再用柔性的導(dǎo)熱墊來(lái)補(bǔ)償間隙并構(gòu)建散熱通道[1–3]。過(guò)大的間隙和導(dǎo)熱墊厚度會(huì)增大器件與散熱凸臺(tái)間的傳導(dǎo)熱阻，易導(dǎo)致器件的熱失效；過(guò)小的間隙使導(dǎo)熱墊壓縮量過(guò)大，會(huì)對(duì)器件產(chǎn)生過(guò)大壓力，對(duì)器件和焊點(diǎn)造成不可逆的損傷。因此，選擇合適的導(dǎo)熱墊厚度和壓縮量需要精確控制預(yù)留的間隙值。

國(guó)內(nèi)外關(guān)于導(dǎo)熱墊的研究主要集中在接觸傳熱機(jī)理、接觸熱阻的表征測(cè)試方法、導(dǎo)熱墊選型及散熱凸臺(tái)高度的理論推導(dǎo)計(jì)算等方面。文獻(xiàn)[4]通過(guò)構(gòu)建界面熱阻測(cè)試系統(tǒng)，分析了接觸表面粗糙度和界面壓力對(duì)導(dǎo)熱墊散熱性能的影響；文獻(xiàn)[5]利用概率法分析了散熱器件與散熱凸臺(tái)間隙尺寸鏈，推導(dǎo)出了散熱凸臺(tái)高度的計(jì)算公式；文獻(xiàn)[6]在研究散熱器件與散熱凸臺(tái)間隙尺寸鏈和單層平壁導(dǎo)熱模型的基礎(chǔ)上，形成以厚度和導(dǎo)熱系數(shù)計(jì)算為依據(jù)的導(dǎo)熱墊選型方法?，F(xiàn)有研究側(cè)重理論分析，尚無(wú)針對(duì)散熱器件較多且散熱器件高度公差較大時(shí)導(dǎo)熱墊的工程應(yīng)用研究。

本文以某星載數(shù)據(jù)處理器波束處理分機(jī)為例，針對(duì)其熱耗大、散熱器件多的特點(diǎn)，從星載工程應(yīng)用角度出發(fā)，提供了一種簡(jiǎn)單高效的導(dǎo)熱墊選型和散熱凸臺(tái)設(shè)計(jì)與返修方法。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

某星載數(shù)據(jù)處理器波束處理分機(jī)主要由機(jī)殼、電路板、熱管等部分組成，機(jī)殼材料選用2A12鋁合金。其外形尺寸為430 mm（長(zhǎng)）× 230 mm（寬）×40 mm（高），其布局如圖1所示。圖中：H為器件高度；δ為導(dǎo)熱墊壓縮后的厚度；L為散熱凸臺(tái)的返修量。

圖1 大熱耗器件散熱傳導(dǎo)示意圖

大熱耗器件的熱量通過(guò)導(dǎo)熱填隙材料傳導(dǎo)至散熱凸臺(tái)，進(jìn)而通過(guò)機(jī)殼將熱量傳導(dǎo)至機(jī)殼安裝面，最后通過(guò)衛(wèi)星艙板將熱量導(dǎo)出（圖1）。機(jī)殼安裝面的溫度經(jīng)整星熱控控制在-15°C～+55°C范圍內(nèi)。分機(jī)的總熱耗大（約150 W），大熱耗器件數(shù)量多且位置分散，導(dǎo)熱墊的選型和散熱凸臺(tái)高度的設(shè)計(jì)是分機(jī)熱設(shè)計(jì)成敗的關(guān)鍵。分機(jī)大熱耗器件的位置如圖2所示。

圖2 主要發(fā)熱元器件布局圖

2 導(dǎo)熱墊選型和散熱凸臺(tái)設(shè)計(jì)

2.1 接觸熱阻

導(dǎo)熱墊的熱量傳導(dǎo)可近似看作單層平壁導(dǎo)熱，依據(jù)傅立葉定律，傳熱表達(dá)式描述為：

式中：Δt為散熱器件與凸臺(tái)間的溫差；R為接觸熱阻；Q為散熱器件熱耗；A為散熱接觸面積。

由公式（1）可以看出，散熱器件熱耗、散熱接觸面積確定后，散熱器件與凸臺(tái)間的溫差與接觸熱阻成正比。

2.2 導(dǎo)熱墊選型及壓縮率

為了達(dá)到最佳的傳熱效果，需要減小和控制接觸熱阻。選擇低熱阻導(dǎo)熱墊材料、控制接觸壓力可以有效降低界面熱阻，提高熱量傳導(dǎo)效率[7]。為補(bǔ)償散熱凸臺(tái)加工誤差和散熱器件裝焊誤差，導(dǎo)熱墊需要具備一定的壓縮適應(yīng)能力。

在實(shí)際工程應(yīng)用中，選擇了貝格斯公司的Gap-Pad3000S30型導(dǎo)熱墊。該導(dǎo)熱墊為軟質(zhì)絕緣導(dǎo)熱填隙材料，其導(dǎo)熱系數(shù)為3 W/(m·K)，壓縮率為10%～40%，厚度可選范圍為0.254～3.175 mm。由GapPad3000S30導(dǎo)熱墊使用手冊(cè)可知，導(dǎo)熱墊接觸熱阻隨厚度增加線性增大，如圖3所示。

圖3 導(dǎo)熱墊接觸熱阻隨厚度變化關(guān)系

對(duì)GapPad3000S30導(dǎo)熱墊進(jìn)行壓力變形測(cè)試及壓力接觸熱阻測(cè)試，得到如圖4所示的接觸壓力隨壓縮率變化的關(guān)系。測(cè)試結(jié)果表明：

圖4 GapPad3000S30導(dǎo)熱墊壓縮率隨接觸壓力變化曲線

1）導(dǎo)熱墊越厚，接觸壓力對(duì)導(dǎo)熱墊變形的影響就越顯著；

2）在允許的壓縮率范圍內(nèi)，接觸壓力隨壓縮率的增加而增大；

3）接觸熱阻隨接觸壓力增加而減小，接觸壓力達(dá)到0.8 MPa后，接觸熱阻隨壓力增加變化不明顯。

文獻(xiàn)[8]的研究結(jié)果表明，器件承受的接觸壓力會(huì)降低器件焊點(diǎn)的熱疲勞壽命。由于較大的壓縮量對(duì)應(yīng)較大的接觸壓力，因此導(dǎo)熱墊的壓縮量不應(yīng)設(shè)置過(guò)大。兼顧導(dǎo)熱墊厚度調(diào)節(jié)能力后，導(dǎo)熱墊厚度選擇為0.5 mm，壓縮率選擇為20%，此時(shí)接觸熱阻為1.6×10-4m2·K·W-1，界面接觸壓力為0.765 MPa。為保證散熱器件抗力學(xué)可靠性，在器件四周采取點(diǎn)膠加固措施。

2.3 散熱凸臺(tái)設(shè)計(jì)

在工程應(yīng)用過(guò)程中，器件手冊(cè)給出的器件高度值大多公差較大，例如器件JSRCLK954的高度最大值為2.55 mm，最小值為1.87 mm，偏差為0.68 mm。假若使用GapPad3000S30導(dǎo)熱墊補(bǔ)償器件的高度變化，當(dāng)器件熱耗為2 W、頂部熱沉面積為36 mm2、導(dǎo)熱系數(shù)為3 W/(m·K)時(shí)，0.68 mm的間隙變動(dòng)將會(huì)帶來(lái)12.6°C的溫度變化，而如此大的溫度變化在星載電子產(chǎn)品熱設(shè)計(jì)過(guò)程中是無(wú)法接受的。

本文采用實(shí)測(cè)器件高度并對(duì)散熱凸臺(tái)進(jìn)行二次返修的方法來(lái)解決上述問(wèn)題[9]：在設(shè)計(jì)初期統(tǒng)一散熱凸臺(tái)的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)和返修基準(zhǔn)，初始設(shè)計(jì)時(shí)將散熱凸臺(tái)設(shè)計(jì)為與印制板面齊平，器件高度為H、導(dǎo)熱墊壓縮后的厚度為δ、散熱凸臺(tái)的返修量為L(zhǎng)，如圖1所示。

器件高度H由實(shí)測(cè)得出，為保證測(cè)量精度，將印制電路板（Printed Circuit Board, PCB）安裝到機(jī)殼或支架工裝上，測(cè)量電路板器件安裝面到各器件頂面各點(diǎn)的相對(duì)距離。器件頂面上取左上、左下、右上、右下、中間5點(diǎn)測(cè)量5次，取5次測(cè)量高度的平均值作為器件的高度值Havg（小于2 cm2的器件測(cè)取頂面2個(gè)點(diǎn)）。

導(dǎo)熱墊厚0.5 mm，壓縮率取為20%，則導(dǎo)熱墊壓縮后的厚度δ=0.5×(1-20%)=0.4 mm，則散熱凸臺(tái)的返修量L=H+δ=(Havg+0.4)mm。

3 熱仿真分析驗(yàn)證

為驗(yàn)證熱設(shè)計(jì)方案的合理性，使用Flotherm軟件對(duì)波束處理分機(jī)進(jìn)行了熱仿真分析。設(shè)備最高工作溫度為55°C，分機(jī)外部輻射溫度邊界為55°C，進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計(jì)算時(shí)還要考慮熱傳導(dǎo)和輻射。仿真分析結(jié)果及分機(jī)各部分溫度如圖5所示。

圖5 波束處理分機(jī)熱分析云圖

波束處理分機(jī)元器件結(jié)溫最高溫度為84.8°C，位于U1、U2和U3處，滿足一級(jí)降額85°C的要求，表明導(dǎo)熱墊選型及散熱凸臺(tái)設(shè)計(jì)合理可行，能夠滿足產(chǎn)品的散熱需求。部分主要元器件的仿真數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

4 實(shí)例驗(yàn)證

4.1 元器件測(cè)高

將被測(cè)件的工裝放置在轉(zhuǎn)臺(tái)上，安裝印制板，確認(rèn)電路板器件安裝面的平面度小于0.15 mm。借助三維激光測(cè)量設(shè)備，在控制電腦上選擇執(zhí)行測(cè)量程序，設(shè)備將按給定的器件坐標(biāo)值自動(dòng)依次測(cè)量元器件高度。測(cè)量完畢后，自動(dòng)按預(yù)設(shè)程序以電子表單的形式輸出測(cè)量結(jié)果，見(jiàn)表2。

表2 部分主要發(fā)熱器件測(cè)高數(shù)據(jù) mm

4.2 數(shù)據(jù)導(dǎo)入及機(jī)加工返修

生成的測(cè)高數(shù)據(jù)依據(jù)返修量計(jì)算公式L=(Havg+ 0.4) mm二次計(jì)算處理后導(dǎo)入ProE軟件，返修數(shù)據(jù)與模型散熱凸臺(tái)特征相關(guān)聯(lián)，自動(dòng)更新為返修后理論模型（圖6），機(jī)加工車(chē)間按此模型自動(dòng)編程返修散熱凸臺(tái)。

圖6 返修參數(shù)化ProE模型

4.3 返修后檢驗(yàn)

使用激光測(cè)量?jī)x掃描返修后的結(jié)構(gòu)件，生成實(shí)物掃描模型，經(jīng)測(cè)量軟件與返修后理論P(yáng)roE模型比對(duì)，生成三維彩色偏差圖模型反映整個(gè)零件各部位的誤差情況，自動(dòng)生成色譜偏差圖（圖7）并生成檢驗(yàn)數(shù)據(jù)報(bào)告。掃描的機(jī)殼較復(fù)雜且存在數(shù)量較多的細(xì)節(jié)特征，在比對(duì)過(guò)程中只需關(guān)注散熱凸臺(tái)處的尺寸精度。從色譜偏差圖可以看出，該機(jī)殼散熱凸臺(tái)返修后與數(shù)模偏差較小，保持在±0.05 mm范圍內(nèi)，機(jī)殼散熱凸臺(tái)返修正確。

圖7 數(shù)模比對(duì)色譜偏差圖

4.4 導(dǎo)熱墊安裝

根據(jù)器件大小裁剪0.5 mm厚的GapPad3000S30導(dǎo)熱墊，將導(dǎo)熱墊平整地粘接在器件表面，使用漏板工裝用小毛刷輕蘸導(dǎo)熱硅脂在散熱凸臺(tái)上取5點(diǎn)進(jìn)行涂覆（小于2 cm2的器件只取2點(diǎn)涂覆），將貼裝好導(dǎo)熱墊的電路板配裝在機(jī)殼上，查看導(dǎo)熱墊上導(dǎo)熱硅脂印記的大小，即可確認(rèn)導(dǎo)熱墊厚度選擇是否合適，如圖8所示。

圖8 導(dǎo)熱墊安裝驗(yàn)證

在實(shí)際的導(dǎo)熱墊安裝驗(yàn)證過(guò)程中發(fā)現(xiàn)導(dǎo)熱墊上導(dǎo)熱硅脂印記清晰、均勻，使用漏板檢驗(yàn)工裝查看導(dǎo)熱墊上導(dǎo)熱硅脂印記大小，證明返修后的散熱凸臺(tái)與0.5 mm厚的導(dǎo)熱墊接觸匹配良好，達(dá)到了預(yù)期的裝配使用效果。

該方法在某數(shù)據(jù)處理器其余分機(jī)中同樣得到了驗(yàn)證。整機(jī)共180余處散熱凸臺(tái)，經(jīng)二次返修后配裝0.5 mm后的導(dǎo)熱墊，一次性匹配成功率為100%。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文在選定導(dǎo)熱墊型號(hào)和厚度的基礎(chǔ)上，提出了一種新的散熱凸臺(tái)設(shè)計(jì)及導(dǎo)熱墊選型方法，為星載電子設(shè)備散熱凸臺(tái)的設(shè)計(jì)提供了新的思路。該方法與工程實(shí)際應(yīng)用緊密結(jié)合，具有如下特點(diǎn)：

1) 無(wú)需考慮元器件誤差影響，統(tǒng)一了散熱凸臺(tái)的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)，極大降低了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)難度；

2)元器件實(shí)測(cè)高度數(shù)據(jù)與ProE模型關(guān)聯(lián)，可一鍵生成返修后模型，基本杜絕了返修差錯(cuò)率；

3) 統(tǒng)一了導(dǎo)熱墊厚度規(guī)格，大幅減少了后續(xù)操作人員貼裝導(dǎo)熱墊的工作量，提高了產(chǎn)品的裝配生產(chǎn)效率；

4)對(duì)于批產(chǎn)單機(jī)，通過(guò)積累元器件實(shí)測(cè)高度數(shù)據(jù)，可優(yōu)化、完善元器件高度公差值，為后續(xù)直接設(shè)計(jì)散熱凸臺(tái)高度積累原始數(shù)據(jù)樣本，進(jìn)一步提高產(chǎn)品的研制生產(chǎn)效率。

綜上所述，本文提出的散熱凸臺(tái)設(shè)計(jì)與返修方法合理、高效，在星載電子設(shè)備研制過(guò)程中具有較高的工程實(shí)用價(jià)值。