论文部分内容阅读
摘 要：热设计在星载电子设备中占有极其重要的地位。采用热分析软件模拟印制电路板在工作环境温度条件下热控前后的热场分布情况，根据分析结果对热控措施的有效性作出评价。
关键词：印制板 热设计 热分析
中图分类号：TN402 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2013）003-047-02
1 引言
对星载电子设备而言，不仅要求体积小、重量轻、可靠性高，而且要能适应较大温差范围的星内温度环境。资料显示，电子设备的热设计直接影响系统的可靠性，但空间热设计不同于地面热设计，在空间微重力状态下，散热不能采用对流技术，只能采用传导技术和辐射技术，这就给散热带来了难度。本文以某星载印制电路板的结构设计和热设计为例，采用计算和仿真相结合的方式对其进行了热控前后的仿真比较分析，验证热控措施的必要性。
2 设计输入条件
2.1 印制板设计
印制板的外形尺寸为200mm€？58mm€？mm。印制板为14层的FR-4环氧玻璃板，通过印制板上元器件布局推算得出印制板覆铜层厚度为0.142mm，覆铜层的面积均为51600mm2。根据铜的导热系数398W/（m·k），多层0.127mm环氧玻璃纤维板的导热系数34.61W/（m·k），根据公式，计算得印制板的导热系数为35.488W/（m·k）。
2.2 印制板预布局（见图1）
2.3 结构件设计
固定印制板的结构件材料为铝板2A12，质量约为179g，表面采用本色导电氧化，表面处理后结构件表面发射率是0.48，导热系数29W/（m·k）。印制板与结构件的接触面平面度优于0.1，粗糙度优于3.2。印制板通过沉头螺钉与结构件连接后，通过插槽插入电连接器插座内，依靠两边的锁紧装置完成与星载电子设备的连接。
3 热设计
3.1 热设计概述
星载印制电路板是舱内部件，处于真空工作环境中，不存在对流换热，热量的转移只能通过导热和辐射换热两种形式来完成，而且以导热途径为主。所以，为保证热量的顺利转移，控制电子设备的热点温度，结构布局设计必须保证热流路径畅通。
为了确保印制板插入电子设备中热流路径畅通，消除连接时两接触面间的空隙，一方面，在结构设计中，印制板与星载电子设备之间的连接采用了专用的带导热条印制板的锁紧装置；另一方面在接触面间涂抹导热填料，以确保接触良好，最大限度的降低接触热阻。
3.2 元器件的散热设计
表1 大功率元器件热设计
封装形式为DIP、PGA和BGA芯片的底面或底部的硬焊点可以与印制板贴紧安装，所以芯片可以承受较大的正压力。热设计中在芯片周围铺设散热板，将两侧或四周封闭的金属导热壳“散热帽”扣压在芯片上，使用螺钉将“散热帽”的边沿固定到散热板与印制板组件上，热量通过散热帽传导给散热板，再传导至盒体和星载热控系统。
TGA、PLCC等封装形式的芯片，四面管脚，不适合采用“散热帽”的结构形式，这时可在器件顶面压一块小导热板，小导热板采用高导热系数材料制成，这样的“热桥”结构搭建大功率器件与结构件之间的散热桥梁，将热量导向壳体。
在“散热帽”和“热桥”等热控措施中，在散热路径的各接触处均涂导热填料，增强热量传导。
4 设计验证
本节利用Ansys Workbench有限元法对印制电路板在-15℃和+45℃的极限工作温度下的热场分布进行了热仿真分析。分析中直接利用印制板设计和结构件设计中建立的三维模型，在实体模型上施加载荷和边界条件，将100mW以上的器件以热生成率（Internal Heat Generation）形式的载荷施加于体单元上，将-15℃和+45℃的工作温度以恒定温度（Temperature）形式的载荷施加于印制板与总体结构的连接处。
5 结果分析与结论
热分析结果表明，星载印制电路板热控设计方案可以保证各芯片温度保持在规定的温度范围内，同时使印制板温度均匀性指标有较好的改善，采取的热控手段能一定程度改善印制板的环境温度，满足了热设计的要求。
参考文献：
[1] 余建祖.电子设备热设计及分析技术[M].北京：高等教育出版社，2002.
[2] 朱金彪.一种星载电子设备散热结构的设计与优化[J].电子机械工程，2008（04）.
[3] 李勇.星载信息处理机的热设计与分析[J].郑州轻工业学院学报（自然科学版），2007（04）.
[4] 丁小东.电子设备的热设计[J].电子产品可靠性与环境试验，2000（8）.
[5] 廖欣.国外电子产品热设计趋势[J].电子产品世界，1998（Z1）.
关键词：印制板 热设计 热分析
中图分类号：TN402 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2013）003-047-02
1 引言
对星载电子设备而言，不仅要求体积小、重量轻、可靠性高，而且要能适应较大温差范围的星内温度环境。资料显示，电子设备的热设计直接影响系统的可靠性，但空间热设计不同于地面热设计，在空间微重力状态下，散热不能采用对流技术，只能采用传导技术和辐射技术，这就给散热带来了难度。本文以某星载印制电路板的结构设计和热设计为例，采用计算和仿真相结合的方式对其进行了热控前后的仿真比较分析，验证热控措施的必要性。
2 设计输入条件
2.1 印制板设计
印制板的外形尺寸为200mm€？58mm€？mm。印制板为14层的FR-4环氧玻璃板，通过印制板上元器件布局推算得出印制板覆铜层厚度为0.142mm，覆铜层的面积均为51600mm2。根据铜的导热系数398W/（m·k），多层0.127mm环氧玻璃纤维板的导热系数34.61W/（m·k），根据公式，计算得印制板的导热系数为35.488W/（m·k）。
2.2 印制板预布局（见图1）
2.3 结构件设计
固定印制板的结构件材料为铝板2A12，质量约为179g，表面采用本色导电氧化，表面处理后结构件表面发射率是0.48，导热系数29W/（m·k）。印制板与结构件的接触面平面度优于0.1，粗糙度优于3.2。印制板通过沉头螺钉与结构件连接后，通过插槽插入电连接器插座内，依靠两边的锁紧装置完成与星载电子设备的连接。
3 热设计
3.1 热设计概述
星载印制电路板是舱内部件，处于真空工作环境中，不存在对流换热，热量的转移只能通过导热和辐射换热两种形式来完成，而且以导热途径为主。所以，为保证热量的顺利转移，控制电子设备的热点温度，结构布局设计必须保证热流路径畅通。
为了确保印制板插入电子设备中热流路径畅通，消除连接时两接触面间的空隙，一方面，在结构设计中，印制板与星载电子设备之间的连接采用了专用的带导热条印制板的锁紧装置；另一方面在接触面间涂抹导热填料，以确保接触良好，最大限度的降低接触热阻。
3.2 元器件的散热设计
表1 大功率元器件热设计
封装形式为DIP、PGA和BGA芯片的底面或底部的硬焊点可以与印制板贴紧安装，所以芯片可以承受较大的正压力。热设计中在芯片周围铺设散热板，将两侧或四周封闭的金属导热壳“散热帽”扣压在芯片上，使用螺钉将“散热帽”的边沿固定到散热板与印制板组件上，热量通过散热帽传导给散热板，再传导至盒体和星载热控系统。
TGA、PLCC等封装形式的芯片，四面管脚，不适合采用“散热帽”的结构形式，这时可在器件顶面压一块小导热板，小导热板采用高导热系数材料制成，这样的“热桥”结构搭建大功率器件与结构件之间的散热桥梁，将热量导向壳体。
在“散热帽”和“热桥”等热控措施中，在散热路径的各接触处均涂导热填料，增强热量传导。
4 设计验证
本节利用Ansys Workbench有限元法对印制电路板在-15℃和+45℃的极限工作温度下的热场分布进行了热仿真分析。分析中直接利用印制板设计和结构件设计中建立的三维模型，在实体模型上施加载荷和边界条件，将100mW以上的器件以热生成率（Internal Heat Generation）形式的载荷施加于体单元上，将-15℃和+45℃的工作温度以恒定温度（Temperature）形式的载荷施加于印制板与总体结构的连接处。
5 结果分析与结论
热分析结果表明，星载印制电路板热控设计方案可以保证各芯片温度保持在规定的温度范围内，同时使印制板温度均匀性指标有较好的改善，采取的热控手段能一定程度改善印制板的环境温度，满足了热设计的要求。
参考文献：
[1] 余建祖.电子设备热设计及分析技术[M].北京：高等教育出版社，2002.
[2] 朱金彪.一种星载电子设备散热结构的设计与优化[J].电子机械工程，2008（04）.
[3] 李勇.星载信息处理机的热设计与分析[J].郑州轻工业学院学报（自然科学版），2007（04）.
[4] 丁小东.电子设备的热设计[J].电子产品可靠性与环境试验，2000（8）.
[5] 廖欣.国外电子产品热设计趋势[J].电子产品世界，1998（Z1）.