長壽命空間遙感器大功率電控箱熱設計

王鳳麗，鄭洪波，孫麗崴

(中國科學院上海技術物理研究所紅外探測與成像技術重點實驗室，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，大規模集成電路和功率元器件在空間遙感器中應用越來越多，但空間遙感器在軌工作壽命要求不斷延長，電子產品全壽命周期內正常工作對可靠性、安全性提出了新的挑戰。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。有統計顯示各種元件的故障率隨著自身溫度的升高而成指數關系變化，其失效原因有55%歸結于溫度超過器件規定值[1-2]。如果熱設計不到位，就會導致電子元件局部或整體處于較高的溫度下失效或損壞，或到產品壽命后期出現嚴重的故障。因此對空間遙感器電子設備進行可靠的熱設計，實施有效的熱控制措施是提高設備工作可靠性的關鍵步驟之一[3-4]。目前國外的電子設備熱控技術的理論及應用已經較為完善成熟，并廣泛應用于航空航天領域。而且國外已經開發出成熟的算機輔助熱分析軟件計算電子設備的溫度用于評估電子設備散熱措施[5-7]。國內相關技術也有一定的發展，并取得了不少研究成果[5，8-9]。不過對于空間應用的電子產品的熱控技術在創新性和探索性的研究較少?？臻g電子設備具有高集成度和高熱流密度的特點。需要進行系統統籌規劃，在保證熱設計高效合理的同時，要求具有高可靠性和長使用壽命。

本文設計的電控機箱內即包含大量的直流電源轉換器、大規模集成電路、AD轉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值分析的方法計算元器件的溫度，設計相應的散熱措施，再評估元器件的溫度。依據空間運行環境的要求，進行電控機箱熱試驗驗證了熱設計的有效性。在真空環境、溫度環境60℃的情況下，電控箱內部元器件最高工作溫度(結溫)均低于一級降額熱控溫度指標85℃。

2 設計過程與實現

2.1 內部電路概述

電控箱由多塊側板圍成，根據電路板(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熱層。機箱內大功率期間主要為直流電源轉換器件、AD轉換器及FPGA等大規模集成電路。直流電源轉換器主要集中在電源板上，AD轉換器和FPGA等大規模集成電路分散于各信號處理板。機箱內部各單板的分布見圖1所示。

2.2 設計原則

根據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，構成電源板組件，并作為機箱側板的一部分；信號處理板先固定在機械結構壓條上，構成電路板組件后，插入到機箱內。信號處理板的底部有內部接插件，直接插入到底板對應的接插件內，其壓條通過螺釘固定在機箱的側壁上；底板直接固定在箱體側壁或底座上，其上有內部接插件的插座與功能板上的內部接插件插頭配合。單板的外部接插件一般在壓條一側。

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，發射率為0.85，熱導率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的排布如圖1所示。

圖1 電控箱布局圖

根據任務要求，需對200mW以上的元器件進行熱設計。熱設計如下所述：

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

2) 為減小單板與機箱殼體之間的導熱熱阻，在接觸面處填導熱填料，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熱填料，減少安裝面接觸熱阻，加強傳熱；

4) 根據熱分析結果，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。

依據以上原則，制定空間遙感器電控箱熱設計流程如圖2所示。

圖2 電控箱熱設計流程圖

熱設計分三個級別進行：單板、電控箱箱體、單板與箱體之間的熱耦合。熱設計完全基于有限元仿真結果，通過趨勢的分析判斷，指導元器件在電路板上的布局及相應熱控措施的制定。當計算結果達到熱控指標時，才進行實物的投產。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，分析后元器件結溫度超過85℃的器件分別采取散熱措施。根據不同器件的溫度，設計不同的散熱片，以達到散熱效果。

2.4 機箱設計

機箱采用具有高導熱率的鋁合金制造，導熱系數170W/m℃。在機箱與單板之間的接觸面處填導熱填料，以減小單板與機箱殼體之間的導熱熱阻，加強單板與機殼的傳熱。為了使得機箱內的熱量更好地傳導至安裝板，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。機箱殼體內外表面(除安裝面外)進行黑色陽極氧化處理，發射率大于0.85。

2.5 單板與機箱的導熱耦合設計

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

3 熱仿真分析

熱設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。使用傳統的散熱措施：電源板上將元器件通過導熱絕緣膜安裝在鋁板上，由鋁板與機殼接觸將熱量傳導至機殼，對分布有大功耗元器件的電路板，根據熱分析結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

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 計算結果

對于各元器件，計算結果溫度為其殼溫，可通過結殼轉化公式計算得其最高結溫。結溫不大于85℃，為安全設計標準。

電子元器件結溫與殼溫之間的換算公式為

Tj=Tα+Pθjα

(1)

Tj—結溫，℃

Tα—殼溫，℃

P—功率，W

θjα—結-外殼電阻，℃/W

通過熱仿真計算發現，結溫高的器件集中出現在一塊電路板上。最高溫度的幾個元器件具體溫度數據表3所示。

表3 電控箱中元器件溫度情況1

從計算結果看，有元器件結溫超過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，結果仍有元器件溫度超標?？梢娚崞蛔阋詫⒃骷a生的熱量全部散發。需要增加傳導措施。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，分別于兩側機箱熱量導通，如圖3所示；

2) 熱量集中的區域，將機箱側板與機箱底板用四根9mm×9mm小熱管熱量導通，如圖4所示。

圖3 中波可見板小熱管示意圖

圖4 機箱側板與底板小熱管示意圖

根據再設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℃(結溫98.1℃)降低到73.4℃(結溫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

為獲取真實環境下電控箱中大功率元器件溫度數據，驗證熱設計的正確性，對電控箱進行了熱平衡試驗。

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

圖7 試驗現場照片

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

表5 計算數據與試驗數據

試驗全程電子學開機，監測信號變化，觀測圖如8所示。

圖8 電子學信號圖

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

5 結論

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，通過設計仿真分析迭代，獲得了一種有效傳熱的設計方案。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℃(結溫98.1℃)，不滿足指標要求。通過散熱片的設計、微型熱管的有效布局，使元器件殼溫下降至73.4℃(結溫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，電子學信號穩定，未出現任何異常。仿真數據與試驗數據基本吻合，說明熱分析方法有效。同時說明熱措施到位，有效疏導了元器件產生的熱量。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品提供技術借鑒。