宇航電子模塊結構熱設計

吳晟 李佳煒 王愛國 倪建麗 施愛蓮

摘要：本文介紹了宇航電子模塊熱設計的理論基礎，實際工程問題分析和熱設計優化思路，并提出了多個有效的措施，對于新產品的設計和散熱問題的解決有著較好的參考價值。

關鍵詞：電子模塊;熱設計;宇航

中圖分類號：TN915.05 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2020）01-0224-02

0 引言

宇航電子模塊一般的工作環境為真空，且不可維修，故電路設計一般應遵循降額準則，確保整機具有較高的可靠性。衛星的工作壽命已延長到數年甚至數十年以上[1]。為了保證產品壽命，其中重要的一點是熱設計，確保所有器件都得到良好的散熱，具有理想的使用壽命。隨著技術的發展，電子設備的表面貼裝元件密度越來越高，設備運行過程中熱流密度不斷增加[2]。

熱設計的源頭是電路方案的優化，結構的熱設計對于電路方案起支撐，保護作用，同時提供良好的散熱條件。結構熱設計應提前介入到印制板的器件布局，進行器件布局優化，并最終通過合理的方案進行散熱。

1 熱設計理論基礎

熱量傳遞有三種基本方式：熱傳導、對流和熱輻射。

宇航電子模塊一般需在真空環境中工作，沒有空氣的存在，所以散熱主要依靠熱傳導和熱輻射兩種方式。電子類單機通常情況下主要依靠熱傳導進行散熱，出于簡化問題的考慮，熱設計的過程中也主要依靠熱傳導的手段解決散熱的工程問題，熱輻射只是作為一種額外的，增加可靠性及熱設計裕量的輔助手段。

平壁導熱計算公式[3]：φ=AΔt

把公式寫成傳熱系數的形式：φ=AkΔt，傳熱系數k=λ/δ

把公式寫成熱阻的形式：φ=

δ/（Aλ）稱為傳熱過程熱阻（K/W），δ/λ稱為面積熱阻。

傳熱系數是不包含面積的系數，傳系數和面積熱阻是倒數關系。

實際的產品手冊中使用的指標不同，有的使用傳熱系數，有的使用熱阻的概念，理解應用時應注意區分和變通。

兩個名義上互相接觸的固體表面，實際上接觸僅發生在一些離散的面積元上，如圖1所示。在未接觸的界面之間有著一定的間隙，熱量將以熱傳導及輻射的方式穿過這種間隙層。這種情況與兩固體表面真正完全接觸相比，增加了附加的傳遞阻力，稱為接觸熱阻。

串聯熱阻疊加原則與電學中串聯電阻疊加原則相對應，即：在一個串聯的熱量傳遞過程匯總，如果通過各個環節的熱流量都相同，則各串聯環節的總熱阻等于各串聯環節的熱阻的和。如圖2所示，R總=過程熱阻R1+過程熱阻R2+過程熱阻R3。

2 實際工程問題分析

當源頭的電路設計無法繼續優化降低熱耗時，就要依靠結構設計手段來進行熱設計優化了。首先要做的工作是進行初步方案設計，所有的發熱器件進行布局，然后進行傳熱過程熱阻分析。分析每個環節的溫升，找出關鍵環節并盡量優化設計，最終降低器件的殼溫。由于工程實際的需求，往往會在設計中增加額外的過程熱阻，比如要求兩個部分必須可以分離，而分離的兩個零件與一體式的零件相比，就增加了一個接觸熱阻，在總體設計時應予以考慮。

熱設計的目標則是減少發熱器件到散熱面的總熱阻在熱傳導過程中，主要指的是：（1）零件導熱產生的傳熱過程熱阻和。（2）零件互相接觸產生的接觸熱阻。

宇航電子單機中通常的傳熱路徑為器件-冷板-殼體-殼體底面或器件-印制板-殼體-殼體底面。

僅通過印制板導熱的器件，一般發熱功率較小，可以簡化為印制板的均勻發熱，不單獨考慮。

如果仿真下來器件的溫升較大，即總的傳導熱阻較大時，就應該想辦法降低熱傳導環節的熱阻。

在零件導熱過程中，從傳熱過程熱阻δ/（Aλ）的公式可以看出，熱傳導的熱阻和導熱距離δ，材料導熱系數λ、導熱面積A有關。減少傳熱過程熱阻的方法是縮短導熱距離δ，增加材料導熱系數λ或增加傳熱面積A。而降低接觸熱阻的方法是增大接觸面積、降低零件表面的粗糙度、增加零件接觸的正壓力和填充零件間的縫隙，如使用導熱墊或硅脂等材料。

3 設計優化措施

對于減少過程熱阻，實際可采取的措施有：（1）選擇更優良的導熱材料制作零件，比如鋁、銅。（2）增大導熱結構截面積，如增大冷板厚度。（3）縮短導熱路徑，如移動器件位置。（4）當接觸熱阻的溫升較大，即接觸熱阻較大時，就應該向辦法降低接觸熱阻接觸熱阻和材料表面粗糙度、填充導熱介質以及施加的正壓力大小有關。

減少接觸熱阻可采取的措施有：（1）改善材料表面粗糙度。（2）填充硅脂或導熱墊。（3）增大螺釘直徑或增加螺釘數量，從而增大施加的正壓力。（4）增大有效的導熱接觸面積。

常用的設計方案如下：（1）當發熱器件功耗較小時，可采取整體式或分離式的2mm冷板幫助散熱。（2）發熱器件應盡量布置在接近底面或和底面較近的，熱傳導路徑短的位置，如：和底面相連的側壁。特別是當器件熱耗較大時，直接安裝在底面是最佳的選擇，可以極大地優化模塊整體的散熱性能。（3）當器件的尺寸較小，熱流密度較大時，常規的安裝方式不足以滿足需求，可以充分利用器件的各個表面，用額外的散熱板增加器件的熱傳導面積，開辟更多的散熱路徑。如同時使用封裝器件的底面和頂面進行散熱。（4）使用擴熱板增加可用散熱面積，均攤熱流密度。

當器件不能承受較大的壓力，或者由于結構限制無法直接和殼體緊貼散熱時（如多個表面同時接觸），一般需要根據器件的高度設計散熱結構，并保持一定的間隙，避免力學試驗時撞擊芯片，同時采用比較柔軟的導熱填隙材料填充縫隙，形成良好的散熱路徑。

由于器件焊接后的高度以及結構件的高度均存才公差，所以一般需要實際測量間隙的尺寸后，再根據測量結果匹配合適的導熱填隙材料，避免導熱填隙材料壓縮量過大，導致壓力過大，壓壞芯片。或者導熱填隙材料厚度小于間隙，不能正常導熱。

4 結語

結構熱設計應充分考慮到整個熱傳遞過程的熱阻環節并有針對性地進行設計優化，同時提供給印制板及器件合適的支撐和散熱環境。應充分識別每個需要散熱的器件的結構特點，識別熱源位置并有針對性地設計導熱通道。另外，設計散熱結構時需注意是否有可拆卸的需求，如調試需要、轉接板安裝需要等，需在設計的過程中一并考慮，統籌兼顧，通過各種仿真軟件進行迭代設計，最終實現產品整體性能最優。

參考文獻

[1] 閔桂榮.衛星熱控制技術[M].北京：中國宇航出版社，1991.

[2] 陳炳榛.淺談通信設備熱設計的機械結構設計措施[J].中國新通信，2015，17（14）：24-25.

[3]? 楊世銘，陶文銓.傳熱學（第三版）[M].北京：高等教育出版社，1998.