高温度稳定性需求的焦平面热控方案及实施方法

孔燕 柏添

【摘  要】某卫星时间延迟积分（TDI）CMOS焦平面组件是空间相机的核心部件之一，其工作温度是影响相机成像质量的关键因素。该卫星焦平面组件采用相变热管对CMOS传感器进行温度控制。相变热管的安装实施需要满足热设计需求、安全性需求，且不会对焦平面的拼接精度产生影响，属于关键过程和难点操作。论文提出了一种可靠的实施方法并进行了验证，确保最大限度吸收CMOS产生的热量，利用真空下焦平面组件温升试验对热设计和热实施方法进行了验证。

【Abstract】The CMOS focal plane component of a satellite time delay integration （TDI） is one of the core components of a space camera， and its working temperature is the key factor affecting the imaging quality of the camera. The satellite focal plane component uses phase change heat pipe to control the temperature of CMOS sensor. The installation and implementation of phase change heat pipe needs to meet the thermal design requirement and safety requirement， and will not affect the splicing accuracy of focal plane， which is a key process and difficult operation. The paper puts forward and verifies a reliable implementation method to ensure that the heat generated by CMOS can be absorbed to the maximum. The thermal design and thermal implementation method are verified by the temperature rise test for focal plane component under vacuum.

【關键词】焦平面热控;相变热管;实施方法

【Keywords】thermal control of focal plane; phase change heat pipe; implementation method

【中图分类号】V445.8                                             【文献标志码】A                                                 【文章编号】1673-1069（2021）10-0185-03

1 引言

空间相机广泛应用于国民经济、军事活动、科学研究和社会活动等领域，对人类社会的发展产生了重大而深远的影响[1]。焦平面组件及成像传感器是空间相机最重要的组成部分，直接决定相机所获得图像的质量。该型号卫星所采用的成像传感器为时间延迟积分（TDI）CMOS，该传感器是一种新型光电传感器件，具有成像灵敏度高、对象面能量要求低等特点[2]，但该传感器读出频率大、功耗高、发热量高，导致工作过程中温升极快。过高的工作温度将使CMOS产生热噪声，降低辐射精度，削弱光电转换能力，严重影响成像质量。故其焦平面中依托结构进行合理有效的热控设计和热控实施是至关重要的。

正确的热设计是成功进行热控实施的前提，而恰当的热控实施有力保障了热设计的有效性，特别是针对焦平面这类敏感组件，合理的热控实施方法不但能实现热控的技术需求，还能将结构、电子学的影响降到最低。本文在介绍高分02星焦平面组件热设计方案的同时，着重介绍了热控实施方法，为后续CMOS传感器焦平面的热设计和热实施提供一定的参考和指导作用。

2 焦平面热设计方案

目前，焦平面热解决方案主要有2类：第一类是利用大热容物质吸收CMOS工作时产生的热量，从而达到减小成像期间传感器温升的目的;第二类是利用高导热物质（槽道热管、环路热管、导热索等）将热量直接导到冷端，保持焦面温度稳定。这2类方法均可达到稳定焦面传感器温度的目的，但第二类方法需要焦平面与卫星平台预先留有较大空间的接口设计，且卫星平台资源富裕，有散热冷板以保证热管或导热索的安装，同时，需要一定补偿功耗来维持焦平面在不工作时的温度。综合以上因素，考虑到该卫星的整星资源、空间、重量等方面限制，选择对直接安装在焦面组件内部的相变热管进行热设计。

某卫星焦平面组件结构如图1所示，主要由基板、前屉、中屉和后屉电箱组成，成像时功耗约为50W。焦平面一共包含5片CMOS，每片CMOS质量约为20g，单片CMOS工作时热耗约为2.7W。CMOS通过垫片、基座、压板可靠地安装在基板上。焦平面采用光学拼接的方式扩大其视场，通过调整基座和垫片的厚度、位置，各片CMOS之间相互位置精度可以达到10μm以下。

焦平面共设计布置相变热管5根，其中基板相变热管3根，针脚相变热管2根。用于吸收CMOS工作时产生的热量。从热设计角度考虑：为了让相变热管更好地发挥作用，热管与CMOS之间的热阻应当尽量小，接触尽量好。从结构设计角度考虑：焦平面是高精密组件，为了保持CMOS的拼接精度，热管的安装应尽量与焦平面组件在结构上解耦，避免直接刚性接触。这一矛盾需求，极大地加重了相变热管安装和热控实施的难度：一方面，热控实施需要保证CMOS产生的热量能够和热设计需求一样，顺利导入相变热管;另一方面，热控实施还需要兼顾结构和电子学方面的需求，保证热管和CMOS基座不发生挤压，热管及其导热方式不会引起电路故障等。实施的质量关系到焦平面的成像效果。

3 焦平面热实施方法

焦平面相变热管的热控实施主要分为以下3个部分：

①相变热管验收;②基板相变热管安装;③针脚相变热管安装。

3.1 相变热管的验收

基于航天产品的高可靠性要求，故使用前需对热管进行完整的鉴定、验收工作。相变热管的鉴定工作主要包括加速寿命试验、振动试验等。验收工作主要包括热管清洁、外部胶封、研磨、热循环试验、热真空试验等，具体流程如图2所示。

热管的清洁与称重：主要检查相变热管的重量是否满足设计指标，热管在运输过程中是否发生损坏泄漏。

涂胶：相变热管主要的密封方式是焊接密封。在焊接密封的基础上为了增强焊缝强度，提高热管可靠性，在焊缝内外两侧均增设一层胶封，内侧胶封在外协单位完成。外侧胶封需要严格控制用胶量，且保证涂抹均匀，厚度为1mm左右，无气泡（如图3所示）。固化后可达到加强密封的效果。

研磨、平面度检测：将热管安装面平面度研磨至5μm左右，从而保证热管的安装不会使焦平面基板发生变形。

热循环、热真空试验、性能测试：热循环为10.5个循环，温度范围为-2～60℃，考验相变热管承受快速温度变化的能力。热真空为3.5个循环，温度范围为-20～60℃，考验相变热管在真空条件下經受交变温度的能力。性能测试主要利用10W的固定热源进行加热，观察相变平台时间与设计值是否吻合。试验过程和结果如图4所示。

平面度复测：在经历一系列试验后，对热管的平面度进行复测，要求热管的平面度变化在±3μm以内，方可符合验收标准。

完成以上工作后，需要对每根热管进行重量复测、清洁等工作，进一步排查有失效可能的热管。最后对每根热管进行编号、存放。

3.2 基板相变热管的安装

基板上的相变热管共计3根，利用螺钉固定在基板上，并与CMOS基座产生接触，从而通过基板和基座的间接导热，从COMS吸收热量。为了使相变热管发挥最大作用，热管与基板及热管与基座之间的接触热阻应当尽量小，故选择在基板与热管、基座与热管之间添加绝缘导热垫，增大其之间的微观接触。安装前状态如图5所示。

在理想状态下，相变热管、基座、基板之间的接触关系如图6和图7所示，但实际应用时发现，由于CMOS拼接的缘故，基座与压板、垫片一般都不在同一平面，存在不易察觉的微小缝隙，影响热管侧面的传热效果。加大紧固压力或增加导热垫厚度会对CMOS基座产生过大挤压，破坏焦面拼接状态，影响图像质量。因此，选用具有自然流动特性的硅橡胶进行填充。

安装好相变热管并确认与基板和基座有良好接触后，将热管与CMOS压板用3层导热石墨片连接，进一步增强相变热管与CMOS之间的热交换能力。为防止导热石墨片与压板、热管脱粘，需要在接缝处涂覆薄薄一层硅橡胶。至此，基板上的热管安装完成。

3.3 针脚相变热管的安装

在完成电子装联的芯片针脚与相变热管之间放置导热垫，使得芯片可以通过相变热管进行散热。为保证导热垫与针脚有合适的接触量，又不会对电路板产生过大挤压力，备有多种厚度的隔热垫。安装时，由薄到厚逐一尝试安装，找到恰好产生微小压痕厚度的隔热垫。安装中，一旦观察到压痕产生，则不应使用更厚的隔热垫进行再次尝试。

4 热管安装效果的试验测试

相变热管能否发挥预期效果，起到稳定CMOS温度的作用，关键在于以下2个方面：

第一，相变材料的相变潜热是否大于CMOS工作期间所产生的热量。

第二，相变热管与热源的接触是否良好。

第一点已经通过理论计算进行了保障，而第二点主要通过热控实施来进行保障。为验证相变热管是否发挥作用，进行了焦平面热真空温升对比试验。试验方法是在真空环境下，环境温度为15℃，测试CMOS上电工作10min的温升情况。试验结果如图8所示。

5 结语

本文根据卫星焦面相变热管安装使用过程中遇到的实际问题，改进了热控实施过程，针对热管产品可靠性保证的需求，总结出必要的预处理和验收工作项目，设计了合理工作顺序。针对相变热管使用中效果不稳定的现象，找出了接触不良的原因，采取了使用硅橡胶填充的方法。形成了清晰、高效的相变热管热控实施过程。改进效果验证试验结果和后续产品生产验证表明：严格执行该过程，CMOS壳体温升稳定在3.5℃附近，不再出现最高可波动至13℃的不稳定情况，证明了热设计和热实施过程的有效性。

【参考文献】

【1】贾学志，张雷，安源，等.高速TDI CCD空间相机焦平面设计与实验[J].光学学报，2014，34（8）：285-291.

【2】王栋，闫勇，金光.空间相机高速TDICCD焦面组件热设计及试验研究[J].光电工程，2011，38（11）：45-49.