周 明， 汪 宇， 吳 剛， 祝 超

（南京電子器件研究所，江蘇 南京210016）

0 引言

目前我國(guó)航天事業(yè)快速發(fā)展，而作為衛(wèi)星平臺(tái)和載荷系統(tǒng)中的核心部件—微波、射頻功率放大器，其在數(shù)傳系統(tǒng)、應(yīng)答機(jī)系統(tǒng)、衛(wèi)星通訊系統(tǒng)、遙感遙測(cè)系統(tǒng)的作用不言而喻。隨著半導(dǎo)體器件、電路工藝技術(shù)的發(fā)展，目前固態(tài)功率放大器（SSPA）正在逐步替代傳統(tǒng)的行波管放大器。而固態(tài)功率放大器的關(guān)鍵參數(shù)：功率、效率和可靠性無(wú)一不與固放的熱學(xué)設(shè)計(jì)息息相關(guān)。本文以某衛(wèi)星雷達(dá)用Ku波段脈沖固態(tài)功放為例，介紹固態(tài)功放的熱設(shè)計(jì)，并給出仿真、試驗(yàn)結(jié)果。

1 功率放大器內(nèi)部信息及其安裝

本功率放大器脈沖輸出功率為18 W，采用一只高增益功率單片放大器和2級(jí)微波功率管級(jí)連構(gòu)成，功率放大器工作方式為漏極調(diào)制，工作電壓為+12V，正常工作時(shí)電流約為500 mA。功率放大器工作占空比為6.5%，達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，功率放大器內(nèi)各器件平均功耗約為連續(xù)波工作功耗的6.5%，功率放大器內(nèi)部發(fā)熱器件分布如圖1所示。

功率放大器外形如圖2如示。

圖1 功率放大器內(nèi)部發(fā)熱元器件分布圖

圖2 功率放大器安裝圖

2 產(chǎn)品熱設(shè)計(jì)

2.1 熱設(shè)計(jì)概述

元器件的工作溫度和元器件的可靠性關(guān)系極大。元器件的失效常常是材料受熱退化造成的，隨著溫度升高，化學(xué)反應(yīng)速度加快，導(dǎo)致失效率上升。Arrhenius化學(xué)反應(yīng)速度定律表明其間的定量關(guān)系：

式中：λ 為熱力學(xué)溫度T 時(shí)的失效率；λ0為溫度T0時(shí)的失效率；Ea為激活能；K 為波爾茲曼常數(shù)。

星用固放的熱設(shè)計(jì)就是通過(guò)優(yōu)化固放內(nèi)大功率發(fā)熱器件的散熱路徑，將固放工作過(guò)程中產(chǎn)生的熱量有效地傳到衛(wèi)星熱沉。熱設(shè)計(jì)要求就是在滿足功率放大器總重量的前提下，使功率放大器內(nèi)的元器件結(jié)溫滿足文獻(xiàn)［1］中的I級(jí)降額要求。

由于航天器產(chǎn)品的特殊性，星用固態(tài)功率放大器的主要散熱方式為接觸散熱和輻射散熱。

2.2 大功率元器件的接觸散熱

本功率放大器中主要的大功率器件有GaAs功率單片放大器Q1、GaAs 8W 功率管Q2、GaAs 18W 功率管Q3。

在該產(chǎn)品熱設(shè)計(jì)輸入條件中，功率放大器的工作溫度范圍為-10～45℃，在此條件下，根據(jù)文獻(xiàn)［1］中的I級(jí)降額要求，Q1結(jié)溫應(yīng)低于85℃，Q2、Q3結(jié)溫應(yīng)低于100℃，并盡量留有余量。

功率器件以直接或通過(guò)擴(kuò)熱板方式安裝在功率放大器殼體上，其傳熱方式主要為接觸傳熱。由接觸傳熱公式：

式中：Qc接觸傳熱的熱流（W）；Ac接觸傳熱面積（m2）；hc接觸傳熱系數(shù)（W／m2·℃）；T1接觸表面1的溫度（℃）；T2接觸表面2的溫度（℃）。

由公式可知，在器件熱功耗Qc一定的情況下，若要降低其溫度T1，應(yīng)擴(kuò)大安裝接觸面積Ac，提高接觸傳熱系數(shù)hc。接觸傳熱系數(shù)的大小與接觸物體的材料性質(zhì)、表面的粗糙度、表面之間的壓緊力，以及兩表面間是否填充導(dǎo)熱填料和導(dǎo)熱填料的性質(zhì)有關(guān)。

接觸傳熱公式也可以寫成式（3）的形式

式中：接觸熱阻Rc為

在功率放大器中，功率管和擴(kuò)熱板采用無(wú)氧銅材料，為熱的良導(dǎo)體，為了減重同時(shí)考慮導(dǎo)熱導(dǎo)電性能，功率放大器殼體采用硬鋁材料。

功率放大器殼體中用于安裝功率管和擴(kuò)熱板的安裝面粗糙度應(yīng)越小越好，考慮到成本和工藝水平，功率管和擴(kuò)熱板的安裝面粗糙度小于1.6μm。

功率管和擴(kuò)熱板采用螺釘壓接，螺釘旋緊采用標(biāo)準(zhǔn)力矩。為了保持功率管和擴(kuò)熱板的電接地良好，安裝面不填充導(dǎo)熱填料。

大功率元器件的數(shù)量、熱功耗、安裝位置、安裝方式，散熱路徑及采取的散熱措施如表1。

2.3 功率放大器表面及處理

功率放大器底板與衛(wèi)星儀器板采用接觸安裝的方式，因此功率放大器底板的平面度和粗糙度應(yīng)在工藝水平允許內(nèi)盡可能的高，在本功率放大器中設(shè)計(jì)平面度優(yōu)于0.1mm／100mm，粗糙度優(yōu)于3.2μm。

表1 大功率器件散熱措施

與接觸導(dǎo)熱不同，輻射傳熱不與溫度差成正比，而與溫度的四次方差成正比，要想通過(guò)輻射散出更多的熱量，降低功率放大器表面溫度，只有提高功率放大器表面的發(fā)射率，本功率放大器設(shè)計(jì)中要求殼體表面黑色陽(yáng)極氧化處理，發(fā)射率大于0.85。

3 設(shè)計(jì)模擬驗(yàn)證

功率放大器底板與45℃衛(wèi)星儀器板接觸安裝，接觸導(dǎo)熱系數(shù)150 W／m2℃；通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬發(fā)熱器件下表面的結(jié)構(gòu)底板表面溫度分布如圖3所示。

圖3 結(jié)構(gòu)底板表面溫度分布

在結(jié)構(gòu)底板表面溫度已知的前提下計(jì)算器件結(jié)溫過(guò)程如下：

根據(jù)文獻(xiàn)［1］中所給出的典型表面接觸熱阻實(shí)例，真空條件下，銅與銅的接觸壓力在（7×105～70×105）Pa之間，表面粗糙度在0.25μm 時(shí)，接觸傳熱系數(shù)h＝1 136 W／m2℃（實(shí)際粗糙度可以看作是接近0.25μm）。

器件安裝使用為M2.5螺釘，螺釘?shù)臉?biāo)準(zhǔn)力矩為50Ncm，將平行于托板方向的分力忽略，作用在垂直于托板方向的作用力F約為

式中：T 為螺釘力矩；d2為螺 紋 中 徑；φ 為 螺 紋 升角取30°；ρ為摩擦角取20°［3-4］。 （5）

作用在器件上的平均壓力為

式中：n 為器件安裝螺釘數(shù)；S 為與器件殼體接觸面積。

該壓力滿足上述金屬間的接觸壓力，可以引用實(shí)驗(yàn)所得的接觸傳熱系數(shù)。

由式（4）可得器件Q3與殼體間接觸熱阻：

器件Q3結(jié)殼熱阻Rth為1.8K／W，由式（2）可以計(jì)算出器件Q3結(jié)與其下表殼體溫度差ΔT ΔT ＝Q×（R+Rth）＝4.83×（0.56+1.8）＝11.4 器件Q3下表面殼體溫度由圖3 可知為68℃，所以器件Q3結(jié)溫Tch＝50.9℃+11.4℃＝62.3℃≤100℃。

同樣方法得出Q1、Q2的結(jié)溫。

4 熱設(shè)計(jì)結(jié)果分析及結(jié)論

4.1 熱設(shè)計(jì)結(jié)果分析

通過(guò)仿真和計(jì)算，得出了固態(tài)功率放大器內(nèi)大功率元器件的熱分析結(jié)果，在表2中給出。

表2 大功率元器件熱分析結(jié)果

4.2 熱設(shè)計(jì)驗(yàn)證結(jié)果

將圖2中功率放大器置入模擬衛(wèi)星艙中進(jìn)行熱平衡試驗(yàn)，各器件殼溫曲線圖如圖4所示。

圖4 熱平衡時(shí)各器件殼溫曲線圖

采用熱耦探測(cè)發(fā)熱元件殼溫，通過(guò)計(jì)算分別得出各器件結(jié)溫，試驗(yàn)結(jié)果與設(shè)計(jì)值比對(duì)如表3所示。

4.3 結(jié)論

本功率放大器通過(guò)殼體表面黑色陽(yáng)極氧化處理；部分發(fā)熱較大器件底部加銅擴(kuò)熱板增加散熱面積，器件和擴(kuò)熱板安裝接觸面鍍金增加接觸導(dǎo)熱系數(shù)等主要措施；以及印制板增加鋪銅厚度和鋪銅面積、增加金屬過(guò)孔等輔助措施改善散熱。

表3 試驗(yàn)與設(shè)計(jì)值比對(duì)表

經(jīng)過(guò)模擬仿真、分析計(jì)算以及熱平衡試驗(yàn)驗(yàn)證，功率放大器在真空下工作時(shí)大功率器件結(jié)溫滿足文獻(xiàn)［1］中的I級(jí)降額，功率放大器熱設(shè)計(jì)滿足要求。

［1］ GJB／Z35-93.元器件降額準(zhǔn)則［S］.1993：52.

［2］ 何知朱.新型熱控材料器件及應(yīng)用［M］.北京：宇航出版社，1988：129.

［3］ 楊恩霞.機(jī)械設(shè)計(jì)［M］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2008：31.

［4］ 葛志祺.機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)（第二版，上冊(cè)）［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，1980：188-189.