靳含飞

(中国电子科技集团公司 第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

0 引言

DBF单机的功能是将天线阵列单元接收到的射频回波信号无失真地变频成中频信号，再变换成数字信号，然后在高速数字波束形成计算机中进行加权和视频数字全程处理，以形成所需的灵活、高质量接收波束[1]。某星载DBF单机是数字阵列体制星载有源相控阵系统的重要组成部分，其性能直接影响相控阵系统的分辨率、波束指向精度等关键指标，其可靠性水平直接关系到整个相控阵系统能否在轨稳定工作[2]。目前，对星载DBF单机的要求是体积小、重量轻，但是功率器件的热耗、热流密度却越来越高。热失效是电子设备的主要故障模式之一，因此星载DBF单机的热设计对提高其性能及可靠性至关重要。本文针对星载DBF单机的热设计，除了采用常规的表面热控涂层强化辐射，还采用了均热板技术。与组件壳体一体化设计的铝制均热板将芯片热量高效传导至底板，降低芯片与底板之间的温差，从而降低芯片的最高工作温度，提高芯片之间的温度一致性。通过热分析计算和热测试的验证，铝制均热板的热设计方案满足DBF单机的散热需求，从而为星载电子设备的热设计方案优化提供了一种新的方法。

1 DBF单机结构

DBF单机由DBFA和DBFB两部分组成，相互之间通过螺钉连接成一个整体，再通过底部支耳上的4个螺钉固定在舱内安装板上。DBF单机结构布局如图1所示。

DBFA壳体分左、右两个腔体，中间为基板。DBFA基板两侧各安装一块印制板，在壳体两侧安装盖板，具体如图2所示。

DBFB结构与DBFA基本相同，只是一侧与DBFA共用盖板，具体如图3所示。

图1 DBF单机结构布局 图2 DBFA外形图(去除盖板) 图3 DBFB外形图(去除盖板)

DBFA或DBFB模块壳体和盖板均为6系铝合金材料，中间基板厚度为4 mm，结构总重量为4.2 kg。

2 DBF单机热设计

星载电子设备的热失效是影响其可靠性的主要故障模式之一，热设计的目的是将设备内所有元器件的温度控制在规定的范围内，并将设备内的温差减至最小，以保证电子设备的正常工作[3]。

2.1 热边界条件

DBF单机安装在舱内安装板上，整星热控在相应位置布置了热管，用于其温度控制。整星热控确定DBF单机底板的最高温度为+55 ℃，真空度要求不高于6.65×10-3Pa。

DBFA两侧安装的两块印制板互为备份，不同时工作，单块印制板热耗为106 W，其主要芯片的热耗及结温指标要求如表1所示。

DBFB与DBFA的布局一致，两块印制板互为备份，单块印制板热耗为106 W。

2.2 热设计方案

在空间真空环境下，星载电子设备内元器件的传热方式只有传导和辐射两种方式。对于DBF单机等舱内设备而言，电子元器件的热量主要通过传导或辐射的途径传至机壳或底板，再通过机壳辐射将热量排放至舱内或通过底板传导至舱内安装板[4]。元器件密闭在机壳内部，设备辐射散热的效能较低，因此DBF单机散热的主要途径是热传导。DBF单机的热设计主要思路如下：

(1) 将印制板上的功率芯片外壳的顶面与中间的底板直接接触，将热量直接传导至基板。

(2) 盒体中间的基板与安装底板整体设计成T型均热板，将大部分热量高效传导至底板，最后通过底板将热量传导给整星热控。

(3) 单机的机壳外露部分均采用高发射率的热控涂层，将部分热量辐射至舱内环境。

表1 DBF芯片热耗统计表

DBFA或DBFB模块左右两侧的印制板均安装在中间基板上，为了能将功率器件的热量直接传导至基板，缩短传热路径，在基板两侧设计高度不一的散热凸台，凸台顶面与功率器件的外壳顶面直接接触。但器件与散热凸台接触时，接触面存在缝隙，且在真空条件下接触热阻显著增大，为减小接触热阻，在两者之间填充导热硅脂。

DBFA或DBFB模块壳体基板厚度仅为4 mm，如果热量直接从基板传导至底板，温差较大，且部分功率芯片热流密度达到25 W/cm2，局部热量集中，温升较高，无法满足器件耐温指标。因此需要采用新技术，将高热流密度分散后高效传导至底板，方能解决上述问题。均热板由壳体、吸液芯和蒸汽腔等三部分组成，内部含有相变传热工质，均热板工作原理如图4所示[5]。均热板的具体工作循环原理为：①工质在蒸发端吸收热源的热量并蒸发；②蒸汽在压差作用下流向冷凝端；③蒸汽在冷凝端经外部散热并冷凝；④冷凝端液体在毛细压力作用下重返蒸发端进行工作循环[6]。均热板相比热管，实现了二维平面的相变传热，其整体当量导热系数更高。将壳体的实体基板改为中空的均热板，整体重量也会下降。

图4 均热板工作原理图

本文采用铝合金均热板技术，将DBFA和DBFB模块壳体的基板和底板整体设计成T型均热板，将功率芯片的热量分散，降低热流密度，同时通过内部工质的相变将其高效传导至底板，降低传导温差。因此在底板温度一定的情况下，均热板技术的应用，不仅可以使得DBF单机所有元器件的最高工作温度降低；同时可以使得不同功率芯片之间温差减小，提高其温度一致性，从而可以避免热失效，提高DBF单机的可靠性。同时由于铝制均热板内部为空心结构，在外形尺寸不变的情况下，其重量大幅降低，DBFA和DBFB总重量仅为3 kg，较原结构整体减重1.2 kg。

提高壳体表面的辐射效率可以进一步提高散热效果。本文在DBFA和DBFB的外露表面采用黑色阳极氧化，提高了表面的发射率，提高了DBF单机向舱内环境散热的效率。

3 DBF单机热分析

3.1 仿真模型

利用FLOEFD软件对DBF单机进行热分析，按照DBF单机结构建立仿真模型。根据传热特性，对热性能影响可忽略的模型细节进行了简化：

(1) 删除了倒角、圆角、圆孔等。

(2) 忽略螺钉、连接器零件。

(3) DBFA和DBFB发热芯片按照实际大小建模，但简化印制板，删除其他元器件。

3.2 参数设置

热仿真的主要参数设置如下：

(1) 底板的温度设置为+55 ℃，无地球重力影响。

(2) 芯片热耗按照实际大小设置，DBFA和DBFB模块各106 W。

(3) 热耗单机壳体外表面发射率设置为0.85，单机壳体内表面发射率设置为0.4。

(4) 芯片与壳体直接接触热阻设置为5×10-5m2·K/W。

(5) 壳体材料按照6063铝合金材料特性设置，导热系数为201 W/(m·K)，均热板按照其腔体体积建为实体模型，等效热导率设置为1 000 W/(m·K)，印制板按照FR-4特性设置，导热系数为0.3 W/(m·K)。

3.3 仿真结果

对简化后的模型划分网格，设置参数后进行求解。得到的DBF单机整体温度分布如图5所示，DBFA芯片表面温度分布如图6所示，DBFB芯片表面温度分布如图7所示。

图5 DBF单机整体温度云图

图6 DBFA芯片表面温度

由图6仿真结果可知：DBFA仿真最高壳温为U2芯片的70.91 ℃；结合芯片的结壳热阻进行分析，最高结温为D3芯片的77.31 ℃。DBFA所有芯片结温均满足不大于85 ℃指标要求，具体如表2所示。

表2 DBFA仿真结果分析

由图7可知：DBFB仿真最高壳温为N4芯片的71.46 ℃；结合芯片的结壳热阻进行分析，芯片最高结温为D3芯片的77.76 ℃。DBFB所有芯片结温均满足不大于85 ℃指标要求，具体如表3所示。

图7 DBFB芯片表面温度

表3 DBFB仿真结果分析

4 试验验证

星载DBF单机结构加工完成后，设计模拟热源，开展热真空模拟测试，验证热设计方案。因DBFA与DBFB热源大小及结构基本一致，因此仅对DBFA进行了热测试。如图8所示，在真空试验箱内将DBFA结构壳体安装在恒温冷板上，在安装面保持恒温55 ℃的条件下,对各模拟热源的壳温进行监测，以验证热设计的效果。

图8 热真空测试试验

经验证，热真空试验过程中所有芯片均能正常工作，主要功率芯片的结温监测结果和仿真结果对比如表4所示。

表4中，模拟热源的壳温与仿真结果基本一致，偏差不大于2 ℃。温度偏差主要是由于均热板采用当量导热系数等效，接触热阻与仿真设置可能也有偏差等导致。但根据试验结果，采用均热板显著降低了传导热阻，功率器件均能满足一级降额工作的要求。

表4 热真空试验与仿真结果对比

5 结束语

本文在某DBF单机热设计中，采用了与模块壳体一体化的铝制均热板方案，减轻了设备重量，提升了热传导性能。热仿真分析和热真空试验的结果表明铝制均热板大幅降低了传导温差，满足了设备一级降额的热控需求。本文采用与模块壳体一体化设计的铝制均热板方案，为星载电子设备热设计方案优化、减轻设备重量等提供了新的设计思路，对星载电子设备热设计具有很好的借鉴意义。