一种空间高热耗光电设备的散热方法及散热结构技术

本发明专利技术涉及一种空间高热耗光电设备的散热方法及散热结构，(1)将机箱作为散热的主路径，进行机箱的优化散热设计；(2)将封装为一体结构的功能模块分为普通功能模块和具有精密控温需求的功能模块，进行功能模块的优化散热设计；(3)计算PCB板的当量导热率，进行机箱内安装的PCB板的优化散热设计，强化PCB板与机箱壳体之间的传导散热路径，优化高发热元器件的布局；(4)进行PCB板上高发热元器件的散热加强设计，提高高发热元器件的散热效果。针对现代电子设备集成度越来越高，元器件的热流越来越大，布局及安装空间有限，使用约束限制条件大的情况，本发明专利技术适用空间随机分布布局及安装空间有限的高热流器件散热及温度精密控制的热设计任务。

【技术实现步骤摘要】
一种空间高热耗光电设备的散热方法及散热结构
本专利技术涉及一种空间高热耗光电设备的散热方法及散热结构，属于空间设备热设计

技术介绍
随着载荷技术快速发展，电子设备的集成度越来越高，性能要求也越来越高，设备内部的电子器件结构尺寸越来越小，功耗也越来越大，器件的散热设计及温度控制难度显著增大。若热设计方法不当，会严重影响设备的性能指标及使用寿命，尤其是空间电子设备，譬如GEO航天器使用电子设备，一般在轨空间运行需长达15年以上，其热设计方法的可靠性十分重要。在电子产品中，高温对电子产品的影响包括绝缘性能退化、元器件损坏、材料的热老化、低熔点焊缝开裂及焊点脱落，从而导致整个产品的性能下降以至完全失效。据统计,电子设备的失效有55％因高温导致,随着温度的升高,其失效率成指数形式增长。电子元器件是电子、电气系统的基础产品，电子元器件温度是影响电子设备工作可靠性的重要因素，可见对电子设备及元器件开展热设计，使其选用的电子元器件温度控制在规定的允许的工作温度范围内，是有效保证和提高其可靠性的技术手段。电子设备主要散热路径是借助设备机箱对外散热，常用的热设计方法是元器件散热是通过其安装的PCB电路板传导到机箱壳体(PCB板与机箱壳体机械连接)，由于PCB板主要成份是玻璃钢或陶瓷，导热率较低，传热效果有限，对于大热耗高热流器件，除了借助PCB板散热外，通常需要采用导热金属条、微型热管等将元器件与机箱壳体搭接强化其散热，这种散热设计带来较强的限制条件，如布局、足够的安装空间等，且安全性与可靠性较低，不适用于精确的温度范围控制。综上所述，现代电子设备集成度越来越高，元器件的热流越来越大，布局及安装空间十分有限，现有的电子设备热设计技术，使用约束限制条件很大，设计代价高，已不能适用空间随机分布布局及安装空间有限的高热流器件散热及温度精密控制的热设计任务需求，亟需发展新的高效热设计方法。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种空间高热耗光电设备的散热方法，以解决现有方法不适用于高热流元器件随机布局散热及精密控温的缺点与不足。本专利技术采用的技术方案是：一种空间高热耗光电设备的散热方法，步骤如下：(1)将机箱作为设备功能模块、PCB板以及元器件散热的主路径，进行机箱的优化散热设计；(2)将封装为一体结构的功能模块分为包括普通功能模块和具有精密控温需求的功能模块，进行机箱内封装为一体结构的功能模块的优化散热设计；(3)计算PCB板的当量导热率，进行机箱内安装的PCB板的优化散热设计，强化PCB板与机箱壳体之间的传导散热路径，优化高发热元器件的布局；(4)进行PCB板上高发热元器件的散热加强设计，提高高发热元器件的散热效果。进一步的，进行机箱的优化散热设计，具体为：机箱壳体结构包括底板、侧板和盖板，均采用铝合金材料加工而成，底板和侧板连接在一起且铣成一个整体结构，减小传热路径的热阻，盖板固定在侧板上侧用于将机箱封闭；机箱底板内外两侧的安装面为全接触表面，无减重槽，机箱表面进行高发射率表面处理，强化空间辐射散热。进一步的，机箱表面进行高发射率表面处理是指喷涂黑漆或黑色阳极化；机箱壁厚不小于2.5mm，安装面平面度要求为任意100mm×100mm范围内平面度误差小于0.1mm。进一步的，进行机箱内封装为一体结构的功能模块的优化散热设计，具体为：对于普通功能模块，直接布局安装在机箱底板内侧安装面上，在所述普通功能模块与机箱内侧安装面之间填充导热填料，强化接触传热，所述普通功能模块直接通过机箱进行散热。进一步的，对于具有精密控温需求的功能模块，在机箱底板内侧安装面上先安装热电制冷器，再将所述具有精密控温需求的功能模块固定在热电制冷器上，通过热电制冷器对所述具有精密控温需求的功能模块进行加热或制冷的双向热流控制，实现温度区间精密控制；所述具有精密控温需求的功能模块通过螺钉或金属卡箍安装固定在热电制冷器上，热电制冷器通过螺钉安装在机箱底板内侧安装面上，确保所有接触面紧密接触，并在所有安装面之间均填充导热填料，强化接触传热。进一步的，所述普通功能模块是指最低工作温度低于0℃、最高工作温度高于50℃的功能模块，所述具有精密控温需求的功能模块是指激光器模块，其工作温度区间为35±1℃。进一步的，进行机箱内安装的PCB板的优化散热设计，具体为：增加PCB板覆铜层数和覆铜层厚度，提高PCB板的当量导热率，覆铜层延伸到电路板安装边框边缘，并在电路板安装边框的外表面覆铜；增加高发热元器件安装区域局部覆铜面积和覆铜层厚度；所述高发热元器件是指热耗≥0.3W的元器件；元器件与PCB板之间通过元器件管脚接触传热，在满足电装要求时，元器件管脚长度应尽可能短，减小传导热阻，元器件与PCB板之间接触面填充导热填料，PCB板安装边框与机箱壳体安装接触面宽度不小于5mm,接触面之间填充导热填料，并采用螺钉安装固定，强化PCB板与机箱壳体之间的传导散热路径；布置元器件时，高发热元器件布局在PCB板的边缘，缩短高发热元器件与机箱壳体之间的传热路径；同时，高发热元器件分散布局，避免热源集中。进一步的，所述PCB板的当量导热率计算如下：式中，λ当量为PCB板当量导热率，λCu为覆铜层铜的导热率，λPCB为PCB板材导热率，HCu,i为PCB板第i覆铜层厚度，HPCB,i为PCB板第i板材夹层厚度；PCu,i为PCB板第i覆铜层覆铜面积百分比；n为PCB板覆铜层总层数；m为PCB板板材夹层总层数。进一步的，进行PCB板上高发热元器件的散热加强设计，具体为：通过散热面板对PCB板上高发热元器件进行加强散热，散热面板与机箱壳体之间通过螺钉进行机械连接，接触面之间填充导热填料；根据PCB板上高发热元器件的空间几何分布位置，在散热面板上对应投影位置设置结构凸台，即在散热面板上设置与高发热元器件几何位置对应的适配高度的结构凸台，使结构凸台与器件发热表面面接触；在结构凸台与器件接触面之间垫导热弹垫，通过导热弹垫的弹性压缩保证三者之间紧密接触，减小接触热阻；在高发热器件四周的PCB板与散热面板上均布设置适当数量的螺钉安装接口，通过螺钉再次压紧散热面板结构凸台、导热弹垫、器件发热表面三者之间的接触。进一步的，散热面板采用铝合金6063材料加工而成，散热面板与机箱壳体之间的连接接触面宽度不小于5mm，导热弹垫压缩后厚度小于0.3mm。本专利技术还提出一种空间高热耗光电设备的散热结构，包括：机箱壳体、普通功能模块、热电制冷器、精密控温模块、PCB板、普通元器件、高发热元器件、导热弹垫以及散热面板；机箱壳体包括底板、侧板和盖板，均采用铝合金材料加工而成，底板和侧板连接在一起且铣成一个整体结构，减小传热路径的热阻，盖板固定在侧板上侧用于将机箱封闭；机箱底板内外两侧的安装面为全接触表面，无减重槽，机箱表面进行高发射率表面处理，强化空间辐射散热；普通功能模块直接布局安装在机箱底板内侧安装面上，直接通过机箱进行本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种空间高热耗光电设备的散热方法，其特征在于步骤如下：/n(1)将机箱作为设备功能模块、PCB板以及元器件散热的主路径，进行机箱的优化散热设计；/n(2)将封装为一体结构的功能模块分为普通功能模块和具有精密控温需求的功能模块，进行机箱内封装为一体结构的功能模块的优化散热设计；/n(3)计算PCB板的当量导热率，进行机箱内安装的PCB板的优化散热设计，强化PCB板与机箱壳体之间的传导散热路径，优化高发热元器件的布局；/n(4)进行PCB板上高发热元器件的散热加强设计，提高高发热元器件的散热效果。/n

【技术特征摘要】
1.一种空间高热耗光电设备的散热方法，其特征在于步骤如下：
(1)将机箱作为设备功能模块、PCB板以及元器件散热的主路径，进行机箱的优化散热设计；
(2)将封装为一体结构的功能模块分为普通功能模块和具有精密控温需求的功能模块，进行机箱内封装为一体结构的功能模块的优化散热设计；
(3)计算PCB板的当量导热率，进行机箱内安装的PCB板的优化散热设计，强化PCB板与机箱壳体之间的传导散热路径，优化高发热元器件的布局；
(4)进行PCB板上高发热元器件的散热加强设计，提高高发热元器件的散热效果。


2.根据权利要求1所述的一种空间高热耗光电设备的散热方法，其特征在于：进行机箱的优化散热设计，具体为：机箱壳体结构包括底板、侧板和盖板，均采用铝合金材料加工而成，底板和侧板连接在一起且铣成一个整体结构，减小传热路径的热阻，盖板固定在侧板上侧用于将机箱封闭；机箱底板内外两侧的安装面为全接触表面，无减重槽，机箱表面进行高发射率表面处理，强化空间辐射散热。


3.根据权利要求2所述的一种空间高热耗光电设备的散热方法，其特征在于：机箱表面进行高发射率表面处理是指喷涂黑漆或黑色阳极化；机箱壁厚不小于2.5mm，安装面平面度要求为任意100mm×100mm范围内平面度误差小于0.1mm。


4.根据权利要求1所述的一种空间高热耗光电设备的散热方法，其特征在于：进行机箱内封装为一体结构的功能模块的优化散热设计，具体为：
对于普通功能模块，直接布局安装在机箱底板内侧安装面上，在所述普通功能模块与机箱底板内侧安装面之间填充导热填料，强化接触传热，所述普通功能模块直接通过机箱进行散热。


5.根据权利要求4所述的一种空间高热耗光电设备的散热方法，其特征在于：对于具有精密控温需求的功能模块，在机箱底板内侧安装面上先安装热电制冷器，再将所述具有精密控温需求的功能模块固定在热电制冷器上，通过热电制冷器对所述具有精密控温需求的功能模块进行加热或制冷的双向热流控制，实现温度区间精密控制；所述具有精密控温需求的功能模块通过螺钉或金属卡箍安装固定在热电制冷器上，热电制冷器通过螺钉安装在机箱底板内侧安装面上，确保所有接触面紧密接触，并在所有安装面之间均填充导热填料，强化接触传热。


6.根据权利要求5所述的一种空间高热耗光电设备的散热方法，其特征在于：所述普通功能模块是指最低工作温度低于0℃、最高工作温度高于50℃的功能模块，所述具有精密控温需求的功能模块是指激光器模块，其工作温度区间为35±1℃。


7.根据权利要求1所述的一种空间高热耗光电设备的散热方法，其特征在于：进行机箱内安装的PCB板的优化散热设计，具体为：
增加PCB板覆铜层数和覆铜层厚度，提高PCB板的当量导热率，覆铜层延伸到电路板安装边框边缘，并在电路板安装边框的外表面覆铜；增加高发热元器件安装区域局部覆铜面积和覆铜层厚度；所述高发热元器件是指热耗≥0.3W的元器件；
元器件与PCB板之间通过元器件管脚接触传热，元器件与PCB板之间接触面填充导热填料，PCB板安装边框与机箱壳体安装接触面宽度不小于5mm,接触面之间填充导热填料，并采用螺钉安装固定，强化PCB板与机箱壳体之间的传导散热路径；
布置元器件时，高发热元器件布局在PCB板的边缘，缩短高发热元器件与机箱壳体之间的传热路径；同时，高发热元器件分散布局，避免热源集中。


8.根据权利要求7所述的一种空间高热耗光电设备的散热方法，其特征在于：所述PCB板的当量导热率计算如下：



式中，λ当量为PCB板当量导热率，λCu为覆铜层铜的导热率，λPCB为PCB板材导热率，HCu,i为PCB板第i覆铜层厚度，HPCB,i为PCB板第i板材夹层厚度；PCu,i为PCB板第i覆铜层覆铜面积百分比；n为PCB板覆铜层总层数；m为PCB板板材夹层总层数。


9.根据权利要求1所述的一种空间高热耗光电设备的散热方法，其特征在于：进行PCB板上高发热元器件的散热加强设计，具体为：
通过散热面板对PCB板上高发热元器件进行加强散热，散...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘百麟，李一帆，魏巍，刘绍然，胡帼杰，闫森浩，
申请(专利权)人：中国空间技术研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11