宇航电子模块结构热设计

吴晟 李佳炜 王爱国 倪建丽 施爱莲

摘要：本文介绍了宇航电子模块热设计的理论基础，实际工程问题分析和热设计优化思路，并提出了多个有效的措施，对于新产品的设计和散热问题的解决有着较好的参考价值。

关键词：电子模块;热设计;宇航

中图分类号：TN915.05 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2020）01-0224-02

0 引言

宇航电子模块一般的工作环境为真空，且不可维修，故电路设计一般应遵循降额准则，确保整机具有较高的可靠性。卫星的工作寿命已延长到数年甚至数十年以上[1]。为了保证产品寿命，其中重要的一点是热设计，确保所有器件都得到良好的散热，具有理想的使用寿命。随着技术的发展，电子设备的表面贴装元件密度越来越高，设备运行过程中热流密度不断增加[2]。

热设计的源头是电路方案的优化，结构的热设计对于电路方案起支撑，保护作用，同时提供良好的散热条件。结构热设计应提前介入到印制板的器件布局，进行器件布局优化，并最终通过合理的方案进行散热。

1 热设计理论基础

热量传递有三种基本方式：热传导、对流和热辐射。

宇航电子模块一般需在真空环境中工作，没有空气的存在，所以散热主要依靠热传导和热辐射两种方式。电子类单机通常情况下主要依靠热传导进行散热，出于简化问题的考虑，热设计的过程中也主要依靠热传导的手段解决散热的工程问题，热辐射只是作为一种额外的，增加可靠性及热设计裕量的辅助手段。

平壁导热计算公式[3]：φ=AΔt

把公式写成传热系数的形式：φ=AkΔt，传热系数k=λ/δ

把公式写成热阻的形式：φ=

δ/（Aλ）称为传热过程热阻（K/W），δ/λ称为面积热阻。

传热系数是不包含面积的系数，传系数和面积热阻是倒数关系。

实际的产品手册中使用的指标不同，有的使用传热系数，有的使用热阻的概念，理解应用时应注意区分和变通。

两个名义上互相接触的固体表面，实际上接触仅发生在一些离散的面积元上，如图1所示。在未接触的界面之间有着一定的间隙，热量将以热传导及辐射的方式穿过这种间隙层。这种情况与两固体表面真正完全接触相比，增加了附加的传递阻力，称为接触热阻。

串联热阻叠加原则与电学中串联电阻叠加原则相对应，即：在一个串联的热量传递过程汇总，如果通过各个环节的热流量都相同，则各串联环节的总热阻等于各串联环节的热阻的和。如图2所示，R总=过程热阻R1+过程热阻R2+过程热阻R3。

2 实际工程问题分析

当源头的电路设计无法继续优化降低热耗时，就要依靠结构设计手段来进行热设计优化了。首先要做的工作是进行初步方案设计，所有的发热器件进行布局，然后进行传热过程热阻分析。分析每个环节的温升，找出关键环节并尽量优化设计，最终降低器件的壳温。由于工程实际的需求，往往会在设计中增加额外的过程热阻，比如要求两个部分必须可以分离，而分离的两个零件与一体式的零件相比，就增加了一个接触热阻，在总体设计时应予以考虑。

热设计的目标则是减少发热器件到散热面的总热阻在热传导过程中，主要指的是：（1）零件导热产生的传热过程热阻和。（2）零件互相接触产生的接触热阻。

宇航电子单机中通常的传热路径为器件-冷板-壳体-壳体底面或器件-印制板-壳体-壳体底面。

仅通过印制板导热的器件，一般发热功率较小，可以简化为印制板的均匀发热，不单独考虑。

如果仿真下来器件的温升较大，即总的传导热阻较大时，就应该想办法降低热传导环节的热阻。

在零件导热过程中，从传热过程热阻δ/（Aλ）的公式可以看出，热传导的热阻和导热距离δ，材料导热系数λ、导热面积A有关。减少传热过程热阻的方法是缩短导热距离δ，增加材料导热系数λ或增加传热面积A。而降低接触热阻的方法是增大接触面积、降低零件表面的粗糙度、增加零件接触的正压力和填充零件间的缝隙，如使用导热垫或硅脂等材料。

3 设计优化措施

对于减少过程热阻，实际可采取的措施有：（1）选择更优良的导热材料制作零件，比如铝、铜。（2）增大导热结构截面积，如增大冷板厚度。（3）缩短导热路径，如移动器件位置。（4）当接触热阻的温升较大，即接触热阻较大时，就应该向办法降低接触热阻接触热阻和材料表面粗糙度、填充导热介质以及施加的正压力大小有关。

减少接触热阻可采取的措施有：（1）改善材料表面粗糙度。（2）填充硅脂或导热垫。（3）增大螺钉直径或增加螺钉数量，从而增大施加的正压力。（4）增大有效的导热接触面积。

常用的设计方案如下：（1）当发热器件功耗较小时，可采取整体式或分离式的2mm冷板帮助散热。（2）发热器件应尽量布置在接近底面或和底面较近的，熱传导路径短的位置，如：和底面相连的侧壁。特别是当器件热耗较大时，直接安装在底面是最佳的选择，可以极大地优化模块整体的散热性能。（3）当器件的尺寸较小，热流密度较大时，常规的安装方式不足以满足需求，可以充分利用器件的各个表面，用额外的散热板增加器件的热传导面积，开辟更多的散热路径。如同时使用封装器件的底面和顶面进行散热。（4）使用扩热板增加可用散热面积，均摊热流密度。

当器件不能承受较大的压力，或者由于结构限制无法直接和壳体紧贴散热时（如多个表面同时接触），一般需要根据器件的高度设计散热结构，并保持一定的间隙，避免力学试验时撞击芯片，同时采用比较柔软的导热填隙材料填充缝隙，形成良好的散热路径。

由于器件焊接后的高度以及结构件的高度均存才公差，所以一般需要实际测量间隙的尺寸后，再根据测量结果匹配合适的导热填隙材料，避免导热填隙材料压缩量过大，导致压力过大，压坏芯片。或者导热填隙材料厚度小于间隙，不能正常导热。

4 结语

结构热设计应充分考虑到整个热传递过程的热阻环节并有针对性地进行设计优化，同时提供给印制板及器件合适的支撑和散热环境。应充分识别每个需要散热的器件的结构特点，识别热源位置并有针对性地设计导热通道。另外，设计散热结构时需注意是否有可拆卸的需求，如调试需要、转接板安装需要等，需在设计的过程中一并考虑，统筹兼顾，通过各种仿真软件进行迭代设计，最终实现产品整体性能最优。

参考文献

[1] 闵桂荣.卫星热控制技术[M].北京：中国宇航出版社，1991.

[2] 陈炳榛.浅谈通信设备热设计的机械结构设计措施[J].中国新通信，2015，17（14）：24-25.

[3]  杨世铭，陶文铨.传热学（第三版）[M].北京：高等教育出版社，1998.