星載電子設備散熱凸臺設計與返修方法*

曹 健，彭 鑫，劉江濤，梁大鵬，徐曉靜，周鵬飛

（中國空間技術研究院西安分院，陜西 西安 710199）

引 言

在星載電子設備中，將散熱器件和冷板上的散熱凸臺貼合，通過散熱凸臺將熱量傳至冷板，再將冷板上的熱量通過傳導、輻射方式帶走，是星載電子設備常見的散熱方式之一。由于散熱凸臺加工誤差和散熱器件裝焊誤差的存在，需要預留間隙，再用柔性的導熱墊來補償間隙并構建散熱通道[1–3]。過大的間隙和導熱墊厚度會增大器件與散熱凸臺間的傳導熱阻，易導致器件的熱失效；過小的間隙使導熱墊壓縮量過大，會對器件產生過大壓力，對器件和焊點造成不可逆的損傷。因此，選擇合適的導熱墊厚度和壓縮量需要精確控制預留的間隙值。

國內外關于導熱墊的研究主要集中在接觸傳熱機理、接觸熱阻的表征測試方法、導熱墊選型及散熱凸臺高度的理論推導計算等方面。文獻[4]通過構建界面熱阻測試系統，分析了接觸表面粗糙度和界面壓力對導熱墊散熱性能的影響；文獻[5]利用概率法分析了散熱器件與散熱凸臺間隙尺寸鏈，推導出了散熱凸臺高度的計算公式；文獻[6]在研究散熱器件與散熱凸臺間隙尺寸鏈和單層平壁導熱模型的基礎上，形成以厚度和導熱系數計算為依據的導熱墊選型方法?，F有研究側重理論分析，尚無針對散熱器件較多且散熱器件高度公差較大時導熱墊的工程應用研究。

本文以某星載數據處理器波束處理分機為例，針對其熱耗大、散熱器件多的特點，從星載工程應用角度出發，提供了一種簡單高效的導熱墊選型和散熱凸臺設計與返修方法。

1 結構設計方案

某星載數據處理器波束處理分機主要由機殼、電路板、熱管等部分組成，機殼材料選用2A12鋁合金。其外形尺寸為430 mm（長）× 230 mm（寬）×40 mm（高），其布局如圖1所示。圖中：H為器件高度；δ為導熱墊壓縮后的厚度；L為散熱凸臺的返修量。

圖1 大熱耗器件散熱傳導示意圖

大熱耗器件的熱量通過導熱填隙材料傳導至散熱凸臺，進而通過機殼將熱量傳導至機殼安裝面，最后通過衛星艙板將熱量導出（圖1）。機殼安裝面的溫度經整星熱控控制在-15°C～+55°C范圍內。分機的總熱耗大（約150 W），大熱耗器件數量多且位置分散，導熱墊的選型和散熱凸臺高度的設計是分機熱設計成敗的關鍵。分機大熱耗器件的位置如圖2所示。

圖2 主要發熱元器件布局圖

2 導熱墊選型和散熱凸臺設計

2.1 接觸熱阻

導熱墊的熱量傳導可近似看作單層平壁導熱，依據傅立葉定律，傳熱表達式描述為：

式中：Δt為散熱器件與凸臺間的溫差；R為接觸熱阻；Q為散熱器件熱耗；A為散熱接觸面積。

由公式（1）可以看出，散熱器件熱耗、散熱接觸面積確定后，散熱器件與凸臺間的溫差與接觸熱阻成正比。

2.2 導熱墊選型及壓縮率

為了達到最佳的傳熱效果，需要減小和控制接觸熱阻。選擇低熱阻導熱墊材料、控制接觸壓力可以有效降低界面熱阻，提高熱量傳導效率[7]。為補償散熱凸臺加工誤差和散熱器件裝焊誤差，導熱墊需要具備一定的壓縮適應能力。

在實際工程應用中，選擇了貝格斯公司的Gap-Pad3000S30型導熱墊。該導熱墊為軟質絕緣導熱填隙材料，其導熱系數為3 W/(m·K)，壓縮率為10%～40%，厚度可選范圍為0.254～3.175 mm。由GapPad3000S30導熱墊使用手冊可知，導熱墊接觸熱阻隨厚度增加線性增大，如圖3所示。

圖3 導熱墊接觸熱阻隨厚度變化關系

對GapPad3000S30導熱墊進行壓力變形測試及壓力接觸熱阻測試，得到如圖4所示的接觸壓力隨壓縮率變化的關系。測試結果表明：

圖4 GapPad3000S30導熱墊壓縮率隨接觸壓力變化曲線

1）導熱墊越厚，接觸壓力對導熱墊變形的影響就越顯著；

2）在允許的壓縮率范圍內，接觸壓力隨壓縮率的增加而增大；

3）接觸熱阻隨接觸壓力增加而減小，接觸壓力達到0.8 MPa后，接觸熱阻隨壓力增加變化不明顯。

文獻[8]的研究結果表明，器件承受的接觸壓力會降低器件焊點的熱疲勞壽命。由于較大的壓縮量對應較大的接觸壓力，因此導熱墊的壓縮量不應設置過大。兼顧導熱墊厚度調節能力后，導熱墊厚度選擇為0.5 mm，壓縮率選擇為20%，此時接觸熱阻為1.6×10-4m2·K·W-1，界面接觸壓力為0.765 MPa。為保證散熱器件抗力學可靠性，在器件四周采取點膠加固措施。

2.3 散熱凸臺設計

在工程應用過程中，器件手冊給出的器件高度值大多公差較大，例如器件JSRCLK954的高度最大值為2.55 mm，最小值為1.87 mm，偏差為0.68 mm。假若使用GapPad3000S30導熱墊補償器件的高度變化，當器件熱耗為2 W、頂部熱沉面積為36 mm2、導熱系數為3 W/(m·K)時，0.68 mm的間隙變動將會帶來12.6°C的溫度變化，而如此大的溫度變化在星載電子產品熱設計過程中是無法接受的。

本文采用實測器件高度并對散熱凸臺進行二次返修的方法來解決上述問題[9]：在設計初期統一散熱凸臺的設計基準和返修基準，初始設計時將散熱凸臺設計為與印制板面齊平，器件高度為H、導熱墊壓縮后的厚度為δ、散熱凸臺的返修量為L，如圖1所示。

器件高度H由實測得出，為保證測量精度，將印制電路板（Printed Circuit Board, PCB）安裝到機殼或支架工裝上，測量電路板器件安裝面到各器件頂面各點的相對距離。器件頂面上取左上、左下、右上、右下、中間5點測量5次，取5次測量高度的平均值作為器件的高度值Havg（小于2 cm2的器件測取頂面2個點）。

導熱墊厚0.5 mm，壓縮率取為20%，則導熱墊壓縮后的厚度δ=0.5×(1-20%)=0.4 mm，則散熱凸臺的返修量L=H+δ=(Havg+0.4)mm。

3 熱仿真分析驗證

為驗證熱設計方案的合理性，使用Flotherm軟件對波束處理分機進行了熱仿真分析。設備最高工作溫度為55°C，分機外部輻射溫度邊界為55°C，進行穩態計算時還要考慮熱傳導和輻射。仿真分析結果及分機各部分溫度如圖5所示。

圖5 波束處理分機熱分析云圖

波束處理分機元器件結溫最高溫度為84.8°C，位于U1、U2和U3處，滿足一級降額85°C的要求，表明導熱墊選型及散熱凸臺設計合理可行，能夠滿足產品的散熱需求。部分主要元器件的仿真數據見表1。

4 實例驗證

4.1 元器件測高

將被測件的工裝放置在轉臺上，安裝印制板，確認電路板器件安裝面的平面度小于0.15 mm。借助三維激光測量設備，在控制電腦上選擇執行測量程序，設備將按給定的器件坐標值自動依次測量元器件高度。測量完畢后，自動按預設程序以電子表單的形式輸出測量結果，見表2。

表2 部分主要發熱器件測高數據 mm

4.2 數據導入及機加工返修

生成的測高數據依據返修量計算公式L=(Havg+ 0.4) mm二次計算處理后導入ProE軟件，返修數據與模型散熱凸臺特征相關聯，自動更新為返修后理論模型（圖6），機加工車間按此模型自動編程返修散熱凸臺。

圖6 返修參數化ProE模型

4.3 返修后檢驗

使用激光測量儀掃描返修后的結構件，生成實物掃描模型，經測量軟件與返修后理論ProE模型比對，生成三維彩色偏差圖模型反映整個零件各部位的誤差情況，自動生成色譜偏差圖（圖7）并生成檢驗數據報告。掃描的機殼較復雜且存在數量較多的細節特征，在比對過程中只需關注散熱凸臺處的尺寸精度。從色譜偏差圖可以看出，該機殼散熱凸臺返修后與數模偏差較小，保持在±0.05 mm范圍內，機殼散熱凸臺返修正確。

圖7 數模比對色譜偏差圖

4.4 導熱墊安裝

根據器件大小裁剪0.5 mm厚的GapPad3000S30導熱墊，將導熱墊平整地粘接在器件表面，使用漏板工裝用小毛刷輕蘸導熱硅脂在散熱凸臺上取5點進行涂覆（小于2 cm2的器件只取2點涂覆），將貼裝好導熱墊的電路板配裝在機殼上，查看導熱墊上導熱硅脂印記的大小，即可確認導熱墊厚度選擇是否合適，如圖8所示。

圖8 導熱墊安裝驗證

在實際的導熱墊安裝驗證過程中發現導熱墊上導熱硅脂印記清晰、均勻，使用漏板檢驗工裝查看導熱墊上導熱硅脂印記大小，證明返修后的散熱凸臺與0.5 mm厚的導熱墊接觸匹配良好，達到了預期的裝配使用效果。

該方法在某數據處理器其余分機中同樣得到了驗證。整機共180余處散熱凸臺，經二次返修后配裝0.5 mm后的導熱墊，一次性匹配成功率為100%。

5 結束語

本文在選定導熱墊型號和厚度的基礎上，提出了一種新的散熱凸臺設計及導熱墊選型方法，為星載電子設備散熱凸臺的設計提供了新的思路。該方法與工程實際應用緊密結合，具有如下特點：

1) 無需考慮元器件誤差影響，統一了散熱凸臺的設計基準，極大降低了結構設計人員的設計難度；

2)元器件實測高度數據與ProE模型關聯，可一鍵生成返修后模型，基本杜絕了返修差錯率；

3) 統一了導熱墊厚度規格，大幅減少了后續操作人員貼裝導熱墊的工作量，提高了產品的裝配生產效率；

4)對于批產單機，通過積累元器件實測高度數據，可優化、完善元器件高度公差值，為后續直接設計散熱凸臺高度積累原始數據樣本，進一步提高產品的研制生產效率。

綜上所述，本文提出的散熱凸臺設計與返修方法合理、高效，在星載電子設備研制過程中具有較高的工程實用價值。