冷同同，王煒方，江守利，李 佳

(南京電子技術研究所， 江蘇 南京 210039)

引 言

為了減少信號的輸入/輸出轉接，實現(xiàn)高可靠性，目前插箱中所用插件大部分都是依靠單塊印制板及相應器件來完成一定的獨立功能，這使得一個插箱中存在多個功能不同的插件。模塊化的設計可以實現(xiàn)部件級的通用互換，取得批量生產的效益[1-2]。另外，軍用雷達對電子設備的性能和質量要求越來越苛刻[3]。因此，在雷達插箱插件的設計過程中越來越多地采用模塊化設計，既簡化了設計，縮短了研制周期，又提高了軍用電子設備的可維護性，進而大大提高了產品的質量和可靠性[4-5]。

JVPX印制板連接器是在VITA46總線印制板電路連接器基礎上開發(fā)的，可提高力學和電磁性能，滿足多種信號(如差分、光、射頻、低頻信號等)或功率集成傳輸?shù)葢眯枨螅壳耙褟V泛應用在雷達插件的設計當中。

隨著雷達電子設備組裝密度的提高，功率密度也隨之大大提高，特別是在對體積、重量都有著嚴格要求的機載條件下尤為突出。傳統(tǒng)的自然風冷以及強迫風冷遠遠不能滿足機載環(huán)境下雷達電子設備的散熱要求。傳導式散熱以及插件直接液冷的設計思想開始應用到插箱插件的設計當中。直接液冷散熱效率高，但對空間的要求較大，設計制造難度也相對較高；傳導式散熱則對空間尺寸要求相對較小，但對散熱路徑及固體界面間的接觸熱阻要求嚴格[6-7]。目前，傳導式散熱是航空電子設備采用的常見散熱方法，即機箱采用密封液冷機箱，電子設備插件安裝在密封機箱內，以固體接觸導熱的形式傳遞到液冷機箱導軌側壁上，通過熱交換將熱量帶走[8]。

本文設計了一種基于JVPX連接器的插拔方便、固定可靠、采用傳導散熱的模塊化插件。通過熱仿真優(yōu)化相應結構特征，選擇合理的材料，同時考慮到傳導式散熱的接觸面接觸熱阻問題，對液態(tài)金屬進行了相關應用研究。

1 結構設計

1.1 結構組成

隨著雷達對數(shù)據集成傳輸要求的提高，JVPX印制板連接器得到了廣泛應用。它可滿足多種信號(如差分、光、射頻、低頻信號等)或功率(單點最大工作電流46ADC)的集成傳輸需求，將數(shù)字信號與模擬信號集成在一起，整體安裝于插件的后方，并通過與綜合背板的盲插來保證電性能要求。插件設計一般分為印制板單板形式以及機殼形式2種情況。由于射頻部分有電磁屏蔽的要求，即要求在有外界電磁干擾的情況下仍能可靠地工作，因此該模塊化插件采用機殼形式，并基于JVPX連接器的6U (1U=44.45 mm) 標準插件，前面板寬24 mm，如圖1所示。

圖1 JVPX連接器結構示意圖

同時考慮到模塊的插拔、固定等，該插件設計安裝有把手、鎖緊機構、滾輪等附件，如圖2所示。

圖2 基于JVPX連接器的插件結構組成

1.2 安裝固定

在結構設計過程中，安裝方便有效、固定可靠是保證電子設備正常工作的一項重要措施。該插件的應用環(huán)境為機載環(huán)境，設備的抗振動沖擊以及結構件的“三防”等要求都變得更加嚴苛。

目前，液冷機箱中所用插件的安裝大多利用機箱內的導軌槽將插件平行推移進去，這樣就會使插件底部與導軌槽直接接觸，產生摩擦，從而破壞掉之前為滿足“三防”要求而對插件結構所作的表面處理，影響設備的“三防”性能。為了解決表面摩擦的問題，本文在插件的底部安裝了滾輪裝置，利用滾輪使插件底部與導軌槽之間存在間隙，有效地避免了摩擦問題，如圖2所示。

另外，文中插件在傳統(tǒng)鎖緊機構固定的基礎上增加了螺釘固定，前面板安裝了M3×10的內六角松不脫螺釘，可與鎖緊機構使用同一種內六角扳手，如圖3所示。兩者的配合使用，既提高了安裝固定的可靠性，又減少了工具種類，簡單、方便又可靠。

圖3 鎖緊機構與松不脫螺釘?shù)呐浜鲜褂?/p>

1.3 JVPX盲插定位設計

JVPX連接器中射頻部分采用的是SMP連接器盲插，其軸向容差較小，因此，插件與綜合背板的盲插精度至關重要，而JVPX連接器的軸向定位精度直接影響其盲插精度。

目前，JVPX的安裝多以印制板作為支撐，利用圖1所示的定位銷及安裝固定孔直接固定在印制板上。一方面印制板加工精度受限，且印制板與機殼的安裝存在誤差；另一方面在與背板盲插過程中印制板直接受力，導致印制板變形，從而使得盲插不到位，電性能出現(xiàn)異常。為解決該問題，本文在機殼上設計了JVPX連接器的定位結構(如圖4所示)，采用JVPX連接器直接與機殼固定的形式，避免了上述2種情況的出現(xiàn)。

圖4 JVPX定位安裝圖

2 熱設計

2.1 熱仿真

如圖5所示，文中插件采用傳導式散熱。通過鎖緊機構將插件與導軌固定，使其散熱面有效接觸，同時在芯片器件與散熱凸臺之間安裝導熱襯墊，將熱量通過合理的散熱路徑傳導至液冷機箱導軌側壁上有效地散發(fā)出去。

圖5 傳導散熱示意圖

該插件的總熱耗為75 W，F(xiàn)PGA芯片熱耗為20 W，初步設計材料選用鋁合金5A05，散熱底板厚1.5 mm，冷卻液溫度為40 ℃，冷板導軌處溫度為47 ℃。圖6所示的熱仿真結果表明：FPGA芯片最高溫度達到102 ℃，不滿足其允許的工作溫度-40 ℃～100 ℃。

圖6 熱仿真分析結果

在結構方面，通過增加散熱截面面積和選用高導熱材料來滿足熱設計要求。綜合考慮機載環(huán)境對重量的苛刻要求，在保證外部結構不變以及滿足剛強度的前提下，將散熱底板的厚度增加至2 mm，同時改用熱導率更高的鋁合金6061來提高散熱性能[9]。優(yōu)化后的仿真結果如圖7所示，滿足設計要求。

圖7 優(yōu)化后熱仿真分析結果

2.2 接觸熱阻的優(yōu)化

接觸熱阻是影響電子設備散熱的重要因素之一。目前，為降低固體界面間的接觸熱阻，主要方法是在接觸界面間填充導熱襯墊、銦箔、導熱硅脂等[10]。在功率器件的散熱過程中，往往通過在界面中增加導熱襯墊或銦箔來降低接觸熱阻，但是導熱襯墊較軟、導熱率較低，而銦箔是一種固體，不能充分填充界面。膏狀的散熱材料(如導熱硅脂)可有效降低接觸面的接觸熱阻，但粘性太低，容易使材料溢出接觸界面，造成污染。液態(tài)金屬存在液態(tài)、膏狀以及固體3種狀態(tài)。其中，在膏狀狀態(tài)下，液態(tài)金屬的多相設計技術可使其在較寬的溫度范圍內維持足夠的粘度，熔點范圍為2 ℃～200 ℃，既有高的熱導率又可利用其膏狀的特性充分消除接觸界面處的間隙，降低接觸熱阻，進而減小由接觸熱阻引起的溫升。圖8為接觸熱阻溫升示意圖。

圖8 接觸熱阻溫升示意圖

以底板厚度2 mm、鋁合金6061材料為例。由圖8可知，在固體界面之間不增加導熱填料的情況下，機殼與導軌接觸面處溫度為54 ℃，即由接觸熱阻引起的溫升在7 ℃左右。本文選擇熔點為54 ℃的液態(tài)金屬，當接觸面溫度達到54 ℃時，液態(tài)金屬開始呈現(xiàn)膏狀，由于具有一定粘度，不會溢出接觸界面，可有效降低接觸熱阻。如圖9所示，在界面間增加導熱填料，在邊界條件相同的情況下，F(xiàn)PGA芯片處溫度以及接觸面處溫升明顯降低，具體對比見表1。

圖9 填充液體金屬后熱仿真分析結果

表1溫度對比℃

界面狀態(tài)無導熱填料填充液態(tài)金屬FPGA芯片處溫度91．683．1接觸面處溫升6．81

3 結束語

隨著雷達集成化、小型化的應用，電子設備的散熱

以及盲插互聯(lián)精度至關重要。本文詳細闡述了一種機載環(huán)境條件下的傳導式散熱插件的結構設計及熱設計分析優(yōu)化，設計了一種插拔方便、固定可靠、傳導式散熱的模塊化插件，實現(xiàn)了JVPX連接器的高可靠、高精度定位，同時，利用液態(tài)金屬的特性，將其應用到機殼與導軌之間的接觸面上，填充接觸面間的間隙，有效地降低了接觸熱阻，減小了接觸面處的溫升。該結構優(yōu)化有效提高了盲插互聯(lián)的精度及可靠性，同時液態(tài)金屬的使用為后續(xù)傳導式散熱提供了一種有效解決途徑。

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