相机电路金属芯印制板散热分析范文

《航天返回与遥感杂志》2016年第6期

摘要：

随着星载相机视频电子学技术的迅速发展，相机性能指标不断提升，电路板的功率密度越来越大。如果电路板散热问题无法解决，势必会造成器件性能下降，进而影响相机系统的稳定性和可靠性，甚至导致整个任务失败。文章分析了星载相机视频电路目前几种不同的电路散热方式，提出金属铜芯印制板的散热方案，经试验验证，同种条件下金属铜芯印制板的散热效率显著高于耐燃环氧玻璃布印制板，为星载相机视频电路散热提供新的解决方案。

关键词：

视频电路；金属芯印制板；热设计；热阻；空间相机

0引言

随着星载相机性能指标的提升，大规模集成电路和表面贴装技术，在视频电路产品中得到广泛地应用，电路不断向小型化、轻量化、多功能、高性能、高速度和高可靠性方向发展。由于器件密度的不断增加，使得电路板上的热流密度不断增大。对于半导体器件而言，温度过高会引起电性能变化，结温每升10℃，故障概率便提高一倍[1]，严重时可会导致热击穿，如果散热问题解决不到位，势必会导致电路中器件性能指标不稳定，进而影响相机的稳定性和可靠性，甚至造成任务失败。因此电路板的散热问题尤为突出，必须高度重视。目前星载相机视频电路使用的散热方法，已不能满足后续视频电路散热需求，亟需一种新的散热解决方法，本文讨论了星载相机常见的几种散热形式，提出金属铜芯印制板散热方案，并进行了设计仿真及验证工作，成功应用在视频电路中。

1传统散热方式

电路中的热量主要来自电子元器件的发热、PCB本身的发热、以及外部传导的热。三者之中，电子元器件发热量最大，为主要考虑的散热对象。热阻对于热设计而言，具有非常重要的意义，热设计的目的就是要减小传热路径上的热阻，使得热量迅速传导到热沉（如散热器或者机箱结构）。电子元器件结片至热沉之间的总热阻可划分为器件级、组装级和系统级。器件级热阻又称为内阻，组装级热阻又称为外阻，系统级热阻又称为最终热阻。内外热阻与器件结温的关系为元器件结温和热阻之间的关系：Tj=Pd×(Rjc+Rcs+Rsa)+T0式中Tj为器件结温；Pd为器件功耗；Rjc，Rcs，Rsa，分别为结到外壳的热阻、外壳到散热器的热阻、散热器到整机的热阻；T0为初始温度。Rjc为器件固有特性值，因此减小热阻只能从Rcs，Rsa入手。器件安装方式对散热有着重要影响，不同的安装方式，对应的散热方式也不尽相同，下文针对常用的三种散热方式进行了分析。

1.1结构凸台

如果元器件外壳表面与电路板直接接触，且安装在正面位置，这种安装方式可以采用盖板凸台形式散热[2]。凸台散热是根据电路中所需散热器件的位置，在对应盖板位置增加散热凸台，使用导热绝缘垫与凸台接触，其热阻模型图1所示。图中Tc为器件壳温；Ta为机箱结构壳温；Rcb为器件壳到电路板接触热阻；Rck为器件壳到引脚接触热阻和引脚热阻之和；Rkb为器件引脚到电路板接触热阻；Rb为器件位置到印制板边缘热阻；Rba为电路板到机箱结构的接触热阻；Rct1为器件壳体到导热垫的接触热阻；Rd为导热垫热阻；Rct2为导热垫到散热器（凸台）接触热阻；Rt为散热器（凸台）热阻；Rta为散热器（凸台）到机箱结构的接触热阻。凸台与盖板一体，材料一般为铝合金，与机箱使用若干螺钉紧固，接触面积充分，热阻Rta很小，因此减小凸台到器件热阻非常关键。凸台与器件散热面之间不能直接接触，必须使用导热绝缘垫，那么其导热系数，以及安装方式决定了热阻的大小。此种散热方式需要结构和电路板设计协同工作，凸台的数量、位置、高度、面积，以及导热垫厚度，都与电路板紧密相连，还需要考虑装配误差等等，给电路设计、制板和装配带来诸多困难。

1.2导热条

如果元器件的引线直接焊装在印制板上，其外壳不与电路板接触，这种安装方式可使用导热条散热[3]。导热条的材料一般为铜，有两种安装形式：一种为导热条安装在器件顶部，另一端与机箱相连，如图2（a）所示；另一种为元器件通过导热条安装到电路板上，导热条的另一端与机箱相连，主要通过器件底部导热，如图2（b）所示。元器件与导热条之间使用粘性导热绝缘垫，此情况下的热阻模型见图2（c）所示。图中Rct1为器件壳体到导热垫的接触热阻；Rd为导热垫热阻；Rct2为导热垫到散热器（导热条）的接触热阻；Rt为散热器（导热条）热阻；Rta为散热器（导热条）到机箱结构的接触热阻。根据图2可得导热条热阻模型Rca2：ckkbbbact1dct2ttaca2ckkbbbact1dct2ttaRRRR导热条的材料，横截面积和长度决定了Rt，导热条与机箱结构的安装方式决定了Rta，而元器件壳体与导热条之间的热阻也非常关键，导热垫的导热系数以及配装方式决定了热阻大小。此种散热方式需要器件、导热条与结构配装。导热条既要和导热垫、器件良好接触，还不能对器件管脚施加过大应力。为了固定导热条，需要在印制板预留固定孔位，这样会影响布局布线，不适用高密度电路板。此外必须考虑导热条在振动时，对器件管脚的影响。

1.3热管

热管就是利用蒸发制冷，使得热管两端温度差很大，使热量快速传导。一般热管由管壳、吸液芯和端盖组成。热管内部被抽成负压状态，充入适当的液体，这种液体沸点低，容易挥发。管壁有吸液芯，其由毛细多孔材料构成。热管一端为蒸发段，另外一端为冷凝段，当热管蒸发段受热时，毛细管中的液体迅速蒸发，蒸汽在微小的压力差下流向另外一端，并且释放出热量，重新凝结成液体，液体再沿多孔材料靠毛细力的作用流回蒸发段，如此循环不止，热量由热管一端传至另外一端。这种循环是快速进行的，热量可以被源源不断地传导。星载相机中，大功耗的CCD通常采用热管技术[4]，热管的传热效率是紫铜的数百倍，在CCD器件背面安装微型热管，并结合外贴热管的散热方式，可以迅速将CCD器件工作时产生的热量导出。虽然热管有着极高的导热性，但是热管在国内还没有真正的标准化定义和模式，而且针对小型元器件或者印制板等级的热管还没有发展成熟，所以热管在印制板散热方面的应用还需要一定的时间。

2散热印制板

2.1散热印制板简介

目前广泛应用的PCB板材是覆铜/环氧玻璃布基材，这类基材具有优良的电气性能和加工性能，但散热性能差，发热器件只能从PCB传导出少部分热量。随着视频电路的小型化、高密度化和高功耗化，芯片以及PCB的热流密度急剧增加，那么如何提高PCB与发热器件的散热能力，如何提高PCB与系统结构的散热能力，成为目前电路散热需要解决的主要问题，而散热印制板的使用便可以解决上述问题。（1）高导热基材印制板表1列出了各种基板材料的导热系数。普通环氧玻璃布类板材，其导热系数只有0.2W/(m•℃)，过低的导热系数无法满足高功耗电路的要求。高导热基材电路，主要依靠基板材料内介质层的高导热树脂，或者添加高导热填料（如氮化硼粉），导热系数能提高到1.0W/(m•℃)[5]。使用金属基材，导热系数可以提高到4.0~5.0W/(m•℃)。目前荒川化学公司推出的高导热基材（TC100/101），导热系数6.0~7.0W/(m•℃)，并具有低热阻、低热膨胀系数和高结合力[6]。各种高导热的覆铜箔层压板基材，按照传统的制造工艺和生产技术来完成各类导热印制板。这些印制板的导热能力好于传统印制板，但与金属芯、金属基印制板的散热能力相比还存在一定差距，大多用于低等级散热的高端工业电子领域，不太适合于高可靠性要求的航天领域[7]。（2）金属基印制板由于金属具有好的导热性能，如果把印制线路等贴压在涂覆有导热绝缘的金属基上，则印制板内的热量便可以通过高导热绝缘层，迅速传递到金属基板而散发出去，从而降低印制板的温度。它的核心技术是使用高导热绝缘树脂胶膜来替代传统的环氧玻璃布介质层，使普通基板变成高导热基板[8]。但金属基印制板只能在一面安装元器件，因此只适合于低密度的印制板，无法满足高密度印制板的需求。（3）金属芯印制板随着材料科学和加工工艺的不断发展与完善，金属芯印制板得到了广泛应用，如在美国、日本等国家，交换机之类的电子设备上已大量使用，在相同的外界环境条件下，这种印制板的散热效果与其它的印制板相比要提高一个数量级[9]，它代表了当今世界上高功耗电子组装的较高水平。金属芯印制板是指在多层板的某一平面层使用导热金属，比如铜，通过金属铜芯向外散热或者直接与外接散热装置相连起到快速散热的效果。当电路密度较高时，有双面表面贴装技术（SurfaceMountTechnology，STM）要求或者通孔插装元器件较多时，就必须采用高导热金属芯多层板实现。将导热性较好的金属嵌入多层印制板中间，其上下层可以通过金属化孔互联，实现热量在金属芯内层和表面传递。一般的金属芯印制板结构见图3（a）和图3（b），金属铜芯印制板器件热阻Rca3模型见图3（c）所示。器件外壳与铜芯直接接触，而铜芯与机箱结构多面接触。图中Rct1_core为器件壳体到金属铜芯的接触热阻；Rt为散热器（金属铜芯）热阻；Rta为散热器（金属铜芯）到机箱结构的接触热阻。

2.2金属芯印制板优势

为了更好地进行对比，可将凸台，导热条和金属芯三种形式的热阻模型进行简化处理。对于凸台和导热条，器件绝大部分热量通过散热器导出，暂不考虑器件与散热配件的接触热阻，简化热阻模型如图4（a）所示。金属芯印制板简化热阻模型如图4（b）所示。凸台和导热条热阻简化后为Rca1=Rca2=Rd+Rt+Rta金属芯印制板热阻简化后为Rca3=Rt+Rta下面对三种散热形式的热阻情况进行估算，现设定散热器件，电路外形，电路结构外框以及所处环境等一致，器件处于电路中心位置，且器件与散热器接触充分。设电路外形为200mm×200mm，器件长宽为20mm×20mm，结构托框与电路安装的接触宽度为5mm。在上述条件下分别计算导热垫热阻Rd，散热器热阻Rt，散热器到机箱结构的接触热阻Rta。下文中热阻与导热系数的关系为1RAh，其中h为导热系数，A为接触面积。1）导热垫热阻Rd。凸台和导热条与器件之间均采用绝缘导热垫，其导热系数约为1W/(m•℃)，厚度1mm。金属芯印制板器件与铜芯直接接触。三者接触面积均为400mm2。2）散热器热阻Rt。铝合金的凸台盖板厚度为1mm，长宽200mm×200mm，铝合金导热系数一般在120W/(m•℃)；铜导热条厚度为1mm，长宽100mm×20mm；金属铜芯厚度2mm，长宽200mm×200mm。3）散热器到机箱结构的接触热阻Rta。固体之间的接触导热系数，可以通过基于粗糙度理论的计算方法预估[10]，各个接触界面机加后的粗糙度不大于10μm，取实际接触面积占名义接触面积的0.01%。凸台盖板与机箱为四周压接，螺钉紧固，接触导热系数预估为600W/(m•℃)，接触面积为4000mm2；导热条与机箱接触导热系数预估为923W/(m•℃)，接触面积为20mm×5mm=100mm2；金属铜芯与机箱接触导热系数预估为923W/(m•℃)，接触面积为800mm×5mm=4000mm2。在该设定的相同条件下，由上述参数可得到三种形式的各种热阻数值，以及散热器的质量，见表2。从表2可以看出，金属芯印制板相比于传统散热方式，在散热方面有着无法比拟的优势。金属芯印制板能够提高产品功率密度，减少了散热器和其它硬件(包括热界面材料)的装配，缩小了产品体积，降低硬件及装配成本，提高了可靠性，一定程度上可以屏蔽电磁波，减小电磁干扰。由于铜密度较大，金属铜芯印制板相对于同种印制板而言，产品质量明显增加，但综合考虑常规印制板附带散热器以及装配件的质量，金属芯印制板并不会带来过多的质量。可以考虑以下两种方案：1）选择合适铜芯厚度，表2中0.3mm厚铜芯印制板与盖板凸台质量相近，如果铜芯不与结构相连，铜芯厚度可以更小，类似于厚铜印制板；2）选择金属铝芯印制板，只要铝芯厚度要小于盖板厚度，其质量便不会超过盖板凸台散热形式的质量。

3铜芯印制板设计与热仿真

3.1电路设计

以某电源转换电路为例，该电路使用了多片低压差稳压器，现对此电路进行金属芯电路设计，按照一定的PCB设计要求及工艺要求并适当改进。电路板尺寸为350mm×240mm，金属芯材质为紫铜，厚度为2mm。电路顶层和底层为走线信号层，中间的金属铜芯比信号层尺寸大，且与电路地层不相连。金属铜芯宽出部分与主体结构相接，器件90°安装可直接与铜芯接触安装，之间缝隙可用较薄的导热硅脂填充，如图5所示。对于PCB设计而言，与普通印制板设计有所不同，其涉及结构、材料、电性能和工艺等多个方面，特别应用于航天产品，设计与加工要求更为严格。基本PCB设计需要注意以下几点：1）最小过孔大小要求，孔径与板厚比要求；2）过孔壁与过孔壁之间的间距要求；3）金属芯过孔避让要求；4）过孔到走线的间距要求；5）导线到板边距离要求；6）发热器件外壳与内部电路绝缘要求。对于金属铜芯而言，需要注意以下几点：1）金属芯位于叠层中间，整个叠层采用对称结构，走线层、平面层均以金属芯为中心对称；2）金属芯厚度尽可能选择标准厚度，如常规1.0mm，每隔0.5mm递增；3）依据信号走线层尺寸，可得金属铜芯尺寸，金属铜芯宽出部分，根据结构位置安装而定；4）精密数控机加紫铜，得到压合之前的金属铜芯，然后进行热处理释放应力[11]，校平，需要单独平放；5）热处理之后需要除去铜板上附着的油脂，除油之后进行钻孔并去毛刺抛光，最后进行叠层压合。

3.2热仿真

印制电路板的热分析就是根据印制板的结构及原材料、元器件的封装形式、印制板的工作环境等条件，建立元器件的热模型，设置仿真控制参数，对印制电路板的热行为进行估值计算。从热分析的结果中可得出元器件温度、板温度。本文选用电子行业热分析的标准软件Flotherm进行仿真。设定尺寸小于3mm的小型元器件被滤除，不做热分析。发热器件产生功率设定为5.5W，发射率设为1。双列直插式焊接框架、裸芯片、裸片外延以及外壳部分等器件被模型化为精确模型。设定外部环境的空气温度、印制电路板周围的空气移动速率等等。建模完成后，得到了图6和图7的仿真结果。图6为电路板在自然空气中的仿真结果，6个器件的壳温范围是71℃到77.4℃，这其中包括了空气自然对流对印制电路板的影响。图7为将电路板置入密闭空间的仿真结果，芯片的壳温增长了大约10℃，此时壳温的范围是89℃到96℃。此种情况下忽略空气自然对流的影响。

4测试与结果

4.1测试过程

测温方式一般分为接触测温和非接触测温。其中接触测温要与被测物体紧密接触，这样可能会对被测物体本身的温度分布产生影响。对带电金属芯电路板进行实时测温，可选择非接触测温。非接触测温法目前比较成熟的为辐射测温法[12]，该方法利用来自物体的辐射能照射到检测元件并传入热像系统。本次试验选用红外热成像仪对待测电路板进行测温。为了尽量减小背景对测温精度所造成的影响，在选择测温背景的时候需要选择导热性差，温度与环境温度接近的背景。热像仪与被测电路板之间的距离尽可能拉近。为了减小空气流动对测温影响，制作了一个类密闭测试箱，测试箱的尺寸和箱壁厚度参考对金属芯板做热仿真时的数据。试验系统见图8。

4.2结果与分析

为了更好地进行对比，现分别对该电路的耐燃环氧玻璃布印制板、铜芯和铝芯印制板进行了加电试验。低压差线性稳压器设定电压输入16V，调整输出电压为5V，输出分别连接6路电子负载，电子负载输出设定为0.5A，因此单片LDO功率为5.5W，整板总功率达到33W。在环境温度为21℃情况下，FR-4印制板加电3min后，器件的壳温达到最高温度121℃。金属铜芯电路板加电40min后，器件的壳温达到最高温度68.2℃。热平衡后红外热像仪所摄图像如图9所示。图10为三种电路板加电后某一片LDO壳温随时间变化的曲线，FR-4印制板3min后器件即热保护，而金属铜芯电路此时温度不到50℃，且最高温度不到70℃。从图10可以明显看出FR-4材料的印制板散热效果最差，在第3min已经达热保护温度，而其它电路板都是在40min左右达到热平衡，这说明金属铜芯印制板的散热性能远强于FR-4材料印制板。图11为器件与其周围基材的温度差值，FR-4印制板上最高温度与芯片周围基材的温度差值很大，最高达到45℃，而金属芯板上最高温度与周围基材的温度差值很小，最高只有5℃。这说明器件产生的热量迅速地传导到金属铜芯，而FR-4印制板上器件产生的热量则不能迅速地传导到基材上。

5结束语

随着星载相机性能指标不断地提高，视频电路的器件集成密度和热量密度不断增大，其散热问题变得日益突出，因此良好的散热方式，是视频电路发挥良好性能的有力保障。本文提出了金属芯印制板散热方案，完成了相关电路设计，并进行了相关仿真和试验，结果表明在同种工况下，金属芯印制板不用增加散热装置也可获得很好的散热效果，其散热能力远远好于FR-4电路板，其不仅减少了散热器装配，缩小产品体积，而且降低了装配成本与风险，大大提升了相机视频电路散热水平、可靠性以及设计灵活性。在星载相机中，相比于传统的FR-4印制板，金属芯印制板还需要综合考虑如下因素：电路整板厚度，金属芯材料、厚度及表面粗糙度，导热绝缘材料及厚度，整板质量，电路与结构安装形式，因此系统分析与仿真才能更好地应用金属芯印制板。

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作者:肖龙 贺强民 李涛 徐伟玲 刘涛 单位:北京空间机电研究所