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空间相机大热耗器件填充材料传热效果对比分析 王玉龙，王威，张艳鹏，付柯南 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 摘要：针对空间相机中大热耗器件散热问题的实际工程需求，对大热耗器件的三种散热模式下不同导热填料散热效果影响进行了稳态热分析。利用一维热传递傅里叶定律，建立了大热耗器件热传递的热阻模型，总结了热稳态下热传递效果的理论分析方法。通过分析认为：在采取顶部散热和顶部+底部散热设计情况下，导热填充材料对器件散热效果影响较大，最大温差分别为15.08 ℃和8.2 ℃；而对于采取底部散热的方式，导热填充材料对器件的散热效果影响较小，最大温差为2.8 ℃，说明底部散热模式下，导热填料在热传递链路上并不是影响散热效果的主要因素。 关键词：空间相机；大热耗器件；热传递；热阻；导热填料；PCB组件 Comparisonand analysis of the heat transfer effect of the filling material of large heatconsumption device for space camera WangYu-long WangWei Zhang Yan-peng Fu Ke-nan (Changchun Institute ofOptics, FineMechanics and Physics, Chinese Academy of sciences, Changchun130033, China) Abstract：Aiming at the practicalengineering demand of the heat dissipation problem of large heat consumptiondevices in space cameras, the steady-state thermal analysis of the heatdissipation effect of three heat dissipation modes of large heat consumptiondevices under different heat conduction fillers is carried out. Based onone-dimensional heat transfer Fourier law, a thermal resistance model for heattransfer of large heat consumption devices is established, and the theoreticalanalysis method of heat transfer effect under thermal stability is summarized.Through the analysis that: in the heat taken at the top and top+ bottom heat,thermal conductivity of filler material has great influence on the heatdissipation device , the maximum temperature was 15.08 ℃ and 8.2 ℃;the bottom of the coolingmode, the smaller thermal conductivity of filler material impact on devicecooling effect, the large temperature difference of 2.8 ℃,indicating the bottom heatmode, the main factors of thermal conductivity of filler material in hot linkis not influence the effect of heat dissipation. Key words: Space camera; Large heat consumption device;Heattransfer; Thermalresistance; Thermal conductive filler; PCB components 1 引言 电子产品中的PCB组件的热设计和热管理随着组装密度和集成度的不断提高而来越受到重视。据统计，55%的电子设备失效是由于温度过高引起的，过热损坏已经成为目前电子设备的主要失效模式［1］，这些失效更多是来源于PCB组件中大功率器件的热失效。对于可靠性要求较高的航天、航空及地面军用电子系统而言，大热耗器件（散热功率大于0.3 W）在设计和组装过程中均需考虑器件的散热问题。目前，PCB组件的散热方式主要分为以下几类：（1）自热冷却：在不使用外部动力情况下的热传递方法（包括导热、辐射换热和自然对流）；（2）强迫空气冷却：利用通风机或冲压空气使冷却空气流经电子设备或电子元器件将热量从热源传至热沉；（3）液体冷却；（4）蒸发冷却：利用冷却介质的沸腾达到换热的目的；（5）其他冷却（如热管、冷板、热电冷确等）［2］。本文讨论的是第一种情况，并重点以A54SX72A-1 CQ208器件为例分析和研究空间相机中大热耗器件导热填充材料的导热效果。 2 大热耗器件散热设计 目前空间相机由于组装密度和结构限制，除部分焦面组件采用填充相变材料的热管（本文暂不讨论）散热外，更多的是利用器件本身的散热面并通过一定的传导路径将热量传递到金属边框，一般情况下，器件散热方式设计总结为以下几种方式：（1）在器件顶部设计加装散热基板，散热基板可以是单独组件也可能是与机械板框一体设计，图1是器件顶部加装散热基板的示意图，在散热基板与器件散热面之间添加导热材料以增加散热面积，器件产生的热量通过导热材料、散热基板传递到金属边框，再通过金属边框传递到热沉。 图1 器件顶部散热示意图
图2 底部散热示意图 上述三种导热设计方式中，均在两个散热面之间添加导热材料，这主要是为增加散热面之间的导热面积，减小散热通路上的热阻，同时也是为避免散热器件与散热基板（或PCB基材）间形成刚性连接，影响可靠性。目前非金属导热填料，常见的有导热硅脂、绝缘导热垫、硅橡胶，有的单位可能采用三防漆进行底部填充，但需要评估和分析三防漆固化后对器件的影响效果；导热硅脂在商用产品中使用较为常见，但在高可靠性产品中需限定一定条件，当在光学系统、带有CCD/CMOS器件的焦面组件以及非密封带有机械触点的器件等位置使用导热硅脂时，应考虑导热硅脂在真空条件下会升华挥发进而导致光学系统污染、机械触电失效等质量问题的风险； 3 器件稳态传热分析 3.1 热传递基本原理 热传递是因温度差引起的能量运动，只要在介质的区域之间（比如固体的内部）或者不同介质之间（比如在热表面和流过该表面的较凉的空气）存在温度差，就会产生热传递［3］。这种热传递机制取决于相关介质和热传递模式（包括：传导、对流和辐射），图3为热传递的三种热传递模式示意图，当连续非移动介质（固体或者液体）中存在温度梯度时，热通过传导模式经过介质传递。当一个表面和与表面温度不同的流体（液体或气体）接触时，产生对流传递，热在流体和表面之间交换。当两个不同温度的表面用表面发出的电磁能量的形式交换能量时，发生辐射热传递，本文只在热传导范围内进行讨论和分析。 a）传导 b）对流 c）辐射 图3 热传递的三种模式 图4是某器件散热结构示意图，器件内部热量通过传导模式（暂不讨论对流和热辐射问题）从内部到表面传输，经过以下三个方向传递到热沉：（1）导热材料-散热结构件-热沉；（2）导热材料-PCB基材-热沉：（3）器件引脚-PCB基材-热沉。 图4 某器件散热结构示意图 在上述传热结构中，热量在器件本体内部之间、器件与导热材料之间、导热材料与散热片之间均以传导方式进行传递，这种传递符合一维热传递傅里叶定律，将这种传导使用图5所示模型表示：热量从截面积为A、温度为T1的位置向温度为T2的位置传递，传热长度为L。 图5 一维传热模型 在图5所示的传热模型中，达到热平衡后。依据热传导傅里叶定律： 其中，q是热传递速度，单位是W；Ac是固体中热流方向的交叉面积，单位是m2，k是固体热流方向的热传导率，单位是W/m℃；dT/dx是固体内的温度梯度，单位是℃/m。 式中： 则： 像欧姆定律一样，电流I是电阻R两边的电势差E引起的，也就是：I=E/R，则类比如下：q类比成I；T1-T2类比成E；Rcond=L/kAc类比成R；这样传递热阻可表示为： Rcond=（T1-T2）/q=L/kAc 热阻Rcond表示单位面积、单位厚度的材料阻止热量流动的能力。对于界面材料，用特定装配条件下的热阻抗来表征界面材料导热性能的好坏更合适，热阻抗的定义为：导热面积与接触表面间的接触热阻的乘积，表示如下： Z= Rcond×AC =（T1-T2）/（Q/AC） 表面的平整度、紧固压力、材料厚度和压缩模量将对接触热阻产生影响，而这些影响因素又与实际应用条件有关，所以界面材料的热阻抗也将取决于实际装配条件［4］。 3.2 不同材料导热效果分析 现以A54SX72A-1 CQ208器件为例，按照图4所示的散热模型，计算和分析在不同导热方式下导热填充材料对散热效果的影响。图6是器件外形结构示意图，表1是器件的关键尺寸列表。器件最大结温为150 ℃，结壳热阻为6.3 ℃/W［5］，引脚数为208，封装形式为CQFP。 表1CQ208器件关键尺寸列表 （单位：mm）
图6 CQ208外形结构示意图 下面以导热硅脂、绝缘导热垫以及硅橡胶为导热填充材料，分三种情况进行散热效果分析：（1）只考虑顶部散热：器件顶部散热面安装铝基散热基板，中间添加导热填料；（2）只考虑底部散热：热量一方面通过底部的导热材料传递到PCB基材（FR4），另一方面通过器件引脚传递到PCB焊盘；（3）既考虑顶部散热又考虑底部散热的情况。器件传热过程中涉及到的材料的热物理性能见表2。 表2 芯片传热中相关材料的热物理性能［3］
3.2.1只考虑顶部散热情况 图7、图8分别是顶部散热结构示意图和该结构的一维传导热阻模型。R1为芯片热阻（6.3 W/℃），R2为填充材料热阻，R3为散热片热阻，T2为系统稳态时的温度，T1为环境温度（按照整机鉴定级试验条件的最高温度70 ℃进行确定），则芯片的最大功耗为按下式计算：
图7 顶部散热结构 图8 一维热传导热阻模型 热量传递通路上，各种材料的热阻按下式进行计算： R2=L/kAc 其中L为传热方向的距离（其中：导热填充材料L=3.0×10-4 m，导热铝基散热片厚度L=20.0×10-4 m），K为材料的导热系数，AC热流方向的交叉面积AC=5.29×10-4 m2（芯片顶部散热面面积），则三种导热材料的理论热阻为： 导热垫热阻：R2= L/kAc=3.0×10-4 m/（1.3 W/m.℃×5.29×10-4 m2）=0.44 W/℃ 硅橡胶热阻：R2= L/kAc=3.0×10-4 m/（0.21 W/m.℃×5.29×10-4 m2）=2.7 W/℃ 导热硅脂热阻R2= L/kAc=3.0×10-4 m/（0.8 W/m.℃×5.29×10-4 m2）=0.71 W/℃ 铝散热片热阻R3= L/kAc=20.0×10-4 m/（136 W/m.℃×5.29×10-4 m2）=0.028 W/℃ 需要指出的是，由于导热材料同芯片和散热片之间不可能达到100%的结合，会存在一些空气间隙，因此导热材料的实际热阻要大于理论热阻，假定导热材料与芯片和散热片之间的结合面积为理论结合面积的60%，则导热材料的实际热阻和总体热阻见表3～表5。 表3 添加绝缘导热垫后总体热阻
表4 添加硅橡胶后总体热阻
表5添加导热硅脂后总体热阻
当系统达到稳态时，计算在添加三种不同的导热材料后器件的工作温度，根据一维传递傅里叶定律：
T2=T1+q×R 添加导热垫时，芯片稳定工作温度：T2=70 ℃+4 W×7.058 W/℃=98.232 ℃ 添加硅橡胶时，芯片稳定工作温度：T2=70 ℃+4 W×10.828 W/℃=113.312 ℃ 添加导热硅脂时，芯片稳定工作温度：T2=70 ℃+4 W×7.508 W/℃=100.302 ℃ 通过上述计算认为：以三种不同的材料作为导热填料（绝缘导热垫、硅橡胶、导热硅脂），当系统达到热平衡后，芯片的实际工作温度分别为98.232 ℃、113.312 ℃和100.302 ℃，均小于芯片的结温，系统处于安全工作状态，但是导热填料对于采用顶部散热方式时的系统稳定时工作温度影响较大，上述计算结果中采用硅橡胶与绝缘导热垫作为导热填料时，系统稳态的温差达到了15.08 ℃，因此对于采用顶部散热的方式，建议采用高导热材料对系统安全工作更为有利。 3.2.2只考虑底部散热情况 图9是底部散热结构示意图，其中FR4基材厚度为2 mm，器件底部与PCB接触面积为8.41×10-4 m2，计算所得FR4基材热阻为：7.923 W/℃。
图9 底部散热结构示意图 （1）铜引脚热阻计算 芯片热量一方面通过底部填充材料传递到FR4基材，另一方面通过芯片引脚（铜引脚）传递到FR4基材。热量通过芯片铜引脚传递过程中，由于传热面积发生变化，故而其热阻不同，应分别进行计算，计算出单个引脚的传热热阻后，再计算208个铜引脚的总热阻。图10为芯片成形后铜引脚示意图，图11为单根引脚串联热阻模型。其中RCU1为从芯片本体到底部折弯处的热阻，RCU2为引脚到PCB间的热阻，RCU为单根引脚总体热阻。引脚厚度为0.15 mm，引脚宽度为0.2 mm,引脚成形后与PCB基材间的搭接距离为1.5 mm，铜材料的导热系数为381 W/m.k。通过计算可得：RCU1=L/KAC=3.5×102 W/℃；RCU2=L/KAC=1.3 W/℃；RCU= RCU1+ RCU2=351.3 W/℃。
图10铜引脚成形后示意图 图11单根铜引脚串联热阻模型 图12是A54SX-1 CQ208器件所有引脚并联热阻模型。计算得到所有芯片引脚的总体热阻为：R=1.69 W/℃。
图12芯片所有引脚并联热阻模型 （2）导热填充材料热阻计算 按照前文3.2.1的方法计算底部填充材料的热阻（按照实际导热面积的60%进行核算）。其中导热面积为8.41×10-4 m2，填充材料厚度为0.3 mm，导热系数见表2，计算所得的导热材料热阻见表6。 表6 底部导热材料热阻统计
（3）总体热阻计算 图13是只考虑底部散热时的热阻网络模型，为芯片热阻（Rj=6.3 W/℃），为印制板基材热阻（7.923 W/℃），为铜引脚热阻（R=1.69 W/℃），为芯片底部填料热阻（见表6）。
图13热阻网络模型 总体热阻按照下式进行计算：
计算得到的总体热阻为：添加绝缘导热垫：R=14.58 W/℃；添加硅橡胶：R=15.28 W/℃；添加导热硅脂：R=14.73 W/℃。按照前文的方法计算稳态时芯片的工作温度：添加绝缘导热垫：T2=128.32 ℃；添加硅橡胶：T2=131.12 ℃；添加导热硅脂：T2=128.92 ℃。从上述计算结果可以看出，芯片底部添加导热材料时，填充材料对最终的芯片工作温度也影响不大，温差在2.2～2.8 ℃之间。 （3）顶部散热+底部散热情况 图14是既考虑芯片顶部散热又考虑底部散热情况的结构示意图，图15是其串并网络热阻模型。其中：Tj-芯片结温；Rj—芯片热阻；RX—填充材料热阻；RL—铝基散热片热阻；RCU—铜引脚热阻；RFR4—PCB基材热阻。
图14 顶部散热+底部散热散热模型
图15 顶部散热+底部散热网络热阻模型 经过计算，热阻网络单元热阻见表7。 表7各热阻网络单元热阻统计表 单位：W/℃
总体热阻按下式进行计算：
计算得到这三种不同导热填料的总体热阻见8。 表8 三种不同导热填料下热阻网络的总体热阻
根据计算，芯片稳态工作时，系统的工作温度为：添加绝缘导热垫：T2=100.72℃；添加硅橡胶：T2=107.24 ℃；添加导热硅脂：T2=98.80 ℃。从上述计算结果可以看出，当综合考虑顶部散热和底部散热时，导热填料对最终的芯片工作温度较大，最大温差达到8.2 ℃，因此导热填料的导热系数对芯片稳态工作温度影响较大。 4 小结 本文针空间相机电子学产品中大热耗器件填充材料传热效果进行了分析，并以ASX72A-CQ208为例，从顶部散热、底部散热以及顶部+底部散热等三种模式，分析了三种导热填料（绝缘导热垫、硅橡胶、导热硅脂）对芯片稳态工作的影响效果，通过分析认为：对于顶部散热方式和顶部+底部散热方式，由于金属散热片的导热系数较大，热阻很小，在散热链路上决定总体热阻的主要因素是导热填充材料的热阻，因此最后计算的结果是导热填充材料的导热系数对芯片稳态工作的温度影响较大，最大温差达分别为15.08 ℃（顶部散热方式）和8.2 ℃（顶部+底部散热方式）；而对于采取底部散热方式的散热设计，热量从芯片本体通过导热材料传递到FR4基材，FR4材料自身导热系数较小，热阻相对较大，导热填料在热传递链路上并不是影响散热效果的主要因素之一，因此三种导热填料对芯片稳态的工作温度影响差异性较小（最大温差为2.8℃）。需要说明的是，为了简化运算，本文对于芯片导热填料的传热效果分析是在一定简化条件进行的，例如芯片引脚与PCB焊盘是低热阻接触（即未考虑接触热阻的影响），PCB基材认为是纯FR4基材（实际上由于FR4内部覆铜的存在，可能传热效果更好）等，但不会影响对导热材料传热影响分析，当然在本文研究内容的基础上进行实物仿真进行分析，可能会更具有说服力。 引用文献： ［1］郭亮，吴清文，严昌翔，刘巨，陈立恒，朴仁官.光谱成像仪CCD组件的稳态/瞬态分析与验证［J］.光学精密工程,2010.11(18-11):2375-2382 ［2］张世欣高进视晓郁.印制电路板的热设计和热分析［J］.现代电子技术．2007.4(257-18):189-192 ［3］李虹，张辉，郭志川（译）．高级电子封装（原书第二版）［M］．机械工业出版社.2010:203-237 ［4］方科．芯片散热的热传导计算［J］．今日电子.2005.12:78-79 ［5］Actel Corporation．HiRel SX-A Family FPGAs［DB］．http://www. .July 2001:.18-19 作者简介： |
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