某彈載電子設(shè)備熱設(shè)計研究

王虎軍 付 娟

（中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，安徽合肥230088）

0 引言

彈載電子設(shè)備受應(yīng)用平臺的限制面臨著可用空間和重量等多方面的限制，為了提升性能，大功率電子器件和大規(guī)模集成電路在彈載電子設(shè)備上的應(yīng)用越來越多，導(dǎo)致其功率密度越來越大。受外部氣動加熱的影響，在導(dǎo)彈飛行中段和末段開始工作的電子設(shè)備還要面臨很高的初始工作溫度，這使得彈載電子設(shè)備的散熱問題日益突出[1-3]。彈載應(yīng)用平臺的特殊性和電子設(shè)備短時工作的特點(diǎn)決定了其難以采用傳統(tǒng)的風(fēng)冷或液冷等傳統(tǒng)的冷卻方式解決設(shè)備散熱的問題，目前，彈載電子設(shè)備主要采用熱傳導(dǎo)及熱沉儲熱等被動冷卻方式進(jìn)行散熱[4]。本文結(jié)合某小型彈載雷達(dá)的熱設(shè)計，對彈載電子設(shè)備的散熱技術(shù)進(jìn)行了研究。

1 系統(tǒng)熱設(shè)計

1.1 系統(tǒng)概述

圖1 某小型彈載雷達(dá)結(jié)構(gòu)圖（外圍框架未顯示）

某小型彈載雷達(dá)系統(tǒng)由天線、TR組件、冷板、框架結(jié)構(gòu)和后端電子設(shè)備組成，如圖1所示（圖中框架結(jié)構(gòu)未顯示）。系統(tǒng)中主要的功率器件為8個TR組件，每個組件中包含8個大功率芯片，芯片尺寸為3mm×3mm×1.5 mm，熱耗為3.5 W。芯片先焊接在同樣大小的鉬銅上，再與鋁合金底板焊接。

1.2 熱設(shè)計

該雷達(dá)工作在飛行末段，受外部氣動加熱影響，初始工作溫度為65℃，要求系統(tǒng)連續(xù)工作3 min后，芯片殼溫最高溫度不超過117℃。系統(tǒng)在彈載應(yīng)用環(huán)境實(shí)際工作時，除依靠結(jié)構(gòu)件熱容吸熱（輻射散熱可忽略）外，難以采用其他散熱方式。系統(tǒng)大部分發(fā)熱量都集中在TR組件內(nèi)，組件采用背靠背設(shè)計，組件背部采用異形設(shè)計，能夠與冷板上的導(dǎo)熱翅片匹配接觸，如圖2所示。組件熱量通過導(dǎo)熱翅片傳導(dǎo)到冷板上。利用TR組件殼體、冷板和框架等金屬結(jié)構(gòu)件的熱容作為熱沉，吸收組件工作時耗散的熱量，傳熱路徑如圖3所示。

綜合考慮系統(tǒng)的力學(xué)性能要求和散熱需求，框架結(jié)構(gòu)選用鋁合金2A12材料，冷板采用高導(dǎo)熱的鋁合金6063材料，組件盒體采用鋁合金6061材料。各材料的熱物性參數(shù)如表1所示。

2 熱仿真分析

圖2 TR組件和冷板

圖3 傳熱路徑示意圖

表1 材料熱物性[5]

利用仿真軟件對電子設(shè)備開展熱仿真分析，根據(jù)軟件處理和網(wǎng)格劃分的需求，對模型進(jìn)行簡化：（1）忽略螺釘孔和倒角等特征；（2）忽略電連接器和設(shè)備的連接件等；（3）忽略電連接器、電纜線、設(shè)備的連接件、緊固件等；（4）忽略內(nèi)部結(jié)構(gòu)件殼體之間的輻射換熱；（5）彈載電子設(shè)備工作的海拔高度通常都比較高，空氣密度小，因此忽略組件與環(huán)境之間的對流換熱。

建模過程中忽略了各種連接件和接插孔等結(jié)構(gòu)和特征，對系統(tǒng)總重量會有所影響，為了減小模型簡化對瞬態(tài)熱分析過程的系統(tǒng)儲熱能力的影響，模型中在材料設(shè)置上進(jìn)行了等效處理，根據(jù)各個部件體積的差異對相應(yīng)的材料密度進(jìn)行等效，保證整個模塊的質(zhì)量不變。具體的仿真模型如圖4所示。

圖4 熱仿真模型

系統(tǒng)的初始工作溫度為65℃，連續(xù)工作3 min，圖5給出了3 min末的整體結(jié)構(gòu)和TR組件各芯片的熱仿真溫度分布云圖。從圖中可以看出，最高溫度出現(xiàn)在邊緣位置的功率放大器處，這是因為單個TR模塊中芯片并不是對稱分布的，該位置到冷板導(dǎo)熱肋的距離最遠(yuǎn)，并且側(cè)邊的功率放大器對應(yīng)位置的TR殼體厚度比其他位置要薄，這就導(dǎo)致其溫度要高于其他芯片，最高溫度達(dá)到122.8℃，不滿足殼溫低于117℃的要求。

圖5 系統(tǒng)在3 min末的溫度分布云圖（單位：℃）

3 優(yōu)化設(shè)計

仿真分析結(jié)果表明，芯片的最高溫度超過允許溫度5.8℃，不能滿足其工作溫度要求，需要進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計，提升系統(tǒng)的儲熱能力，從而降低發(fā)熱器件的溫升，使其在要求的溫度范圍內(nèi)工作。表2給出了各主要結(jié)構(gòu)件的重量和平均溫升，結(jié)合圖5的溫度分布可以看出，框架的質(zhì)量比冷板和TR殼體總質(zhì)量還大，但是由于其距離熱源的位置較遠(yuǎn)，熱量要經(jīng)過TR殼體和冷板才能到達(dá)框架，導(dǎo)熱路徑太長導(dǎo)致其溫升很小，這說明框架的熱容沒有得到有效的利用。因此可以對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，TR組件盒體是組件熱量傳出的第一步，溫升最高，若是該處能夠增加一條傳熱路徑將熱量導(dǎo)出，將會降低TR組件功率放大器的殼體溫升。

表2 各主要結(jié)構(gòu)件重量及平均溫升

另外，對于彈載雷達(dá)這種具有短時工作、高發(fā)熱特性的電子設(shè)備，利用合適溫度的相變材料來增加系統(tǒng)熱沉是解決其散熱問題的一種重要手段[3-4]。

基于以上分析，系統(tǒng)做如下改進(jìn)，在TR組件和框架之間增加相變冷板，如圖6所示。采用導(dǎo)熱襯墊填充相變冷板和TR組件之間的間隙，采用螺接的形式將相變冷板固定在框架上，并在接觸面涂抹導(dǎo)熱硅脂，保證各接觸面接觸良好。改進(jìn)設(shè)計后可以從以下兩方面改善系統(tǒng)散熱：一方面在相變冷板內(nèi)填充相變材料，增加系統(tǒng)熱沉。由于系統(tǒng)初始工作溫度已經(jīng)達(dá)到65℃，因此，這里選用相變溫度約為70℃的相變材料，相變材料的焓值分布圖如圖7所示。另一方面在TR組件和框架之間建立了新的傳熱路徑，降低TR組件與框架之間的傳熱熱阻，傳熱路徑示意圖如圖8所示。

圖6 系統(tǒng)剖視圖

圖7 相變材料焓值分布圖[3]

圖8 傳熱路徑示意圖

根據(jù)以上優(yōu)化設(shè)計，在原初始條件和邊界條件不變的情況下，對模型進(jìn)行熱仿真分析，熱分析結(jié)果如圖9所示。從圖中可以看出，優(yōu)化設(shè)計后，組件溫度明顯降低，框架結(jié)構(gòu)溫升水平有所提高，芯片最高溫度為110.49℃，滿足工作溫度不超過117℃的溫度指標(biāo)要求。

圖9 優(yōu)化后系統(tǒng)熱仿真分析結(jié)果示意圖（單位：℃）

4 結(jié)語

彈載應(yīng)用平臺的特殊性和大功率集成封裝模塊的應(yīng)用導(dǎo)致彈載電子設(shè)備的散熱問題日趨嚴(yán)重。本文以某小型彈載雷達(dá)的熱設(shè)計為例，對彈載電子設(shè)備的散熱設(shè)計進(jìn)行了研究。文中通過優(yōu)化設(shè)計和仿真分析發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化內(nèi)部導(dǎo)熱路徑和相變組件的設(shè)計與利用可以有效降低大功率芯片的溫度，是解決彈載電子設(shè)備短時間大熱耗工作的重要措施，對彈載電子設(shè)備的散熱設(shè)計提供了參考。

[1]陳世鋒.雷達(dá)制導(dǎo)部件高熱流密度組件散熱技術(shù)[J].電子機(jī)械工程，2014（2）：12-15.

[2]劉琳.某彈載雷達(dá)天線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].機(jī)械與電子，2017，35（9）：24-26.

[3]楊雙根，袁智，付娟，等.彈載雷達(dá)導(dǎo)引頭熱設(shè)計技術(shù)探討[J].電子機(jī)械工程，2017，33（1）：44-47.

[4]尹本浩，劉芬芬，王延.彈載電子設(shè)備相變熱沉裝置散熱性能研究[J].電子機(jī)械工程，2015（6）：6-10.

[5]黃伯云，李成功，石力開，等.中國材料工程大典（第4卷）：有色金屬材料工程（上）[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006：64-98.