文/尹可 盧圣濤 任慧麟

1 概述

電子控制器是現(xiàn)代航空武器裝備的重要組件，控制器內(nèi)部電子元器件存在一定的正常工作溫度范圍。相較于民用產(chǎn)品，軍用產(chǎn)品對(duì)于低溫環(huán)境條件有更嚴(yán)苛的要求，不同等級(jí)的電子元器件的最低工作溫度溫度見表1，長(zhǎng)時(shí)間在超限低溫條件下電子元器件容易失效，導(dǎo)致控制器無(wú)法正常工作。

我國(guó)幅員遼闊，要求航空武器裝備能夠適應(yīng)國(guó)土范圍內(nèi)各種各樣的氣候條件，特別的對(duì)于高寒地區(qū)，最低溫度往往低于-40℃。對(duì)于現(xiàn)代航空武器裝備的大腦-電子控制器而言，低溫限制了元器件的選擇范圍，降低了元器件的可靠性，增高了元器件的使用成本。

目前電子元器件低溫工作的改善，采取的措施主要有：

（1）增加二次篩選，符合低溫使用需求的元器件挑選出來(lái)。

（2）選用符合對(duì)應(yīng)溫度范圍的軍溫檔元器件。

（3）在機(jī)箱內(nèi)部設(shè)置加熱管路或加熱器等加熱組件。

方法（1）、方法（2）從元器件入手，無(wú)需修改電子控制器的設(shè)計(jì)，當(dāng)成本較高，二次篩選、采用軍溫檔器件成本顯著上升，對(duì)溫度范圍提升也存在有限。方法（3）目前應(yīng)用也較為廣泛，通過(guò)加熱是電子控制器機(jī)箱內(nèi)溫度上升，達(dá)到工業(yè)級(jí)器件工作溫度范圍，但加熱設(shè)備需增加機(jī)箱的重量與尺寸，帶來(lái)額外的成本。

表1：常用元器件等級(jí)對(duì)應(yīng)的最低溫度

本文提出了一種在PCB內(nèi)部構(gòu)建加熱層的方法，通過(guò)增加少量器件方式實(shí)現(xiàn)主動(dòng)加熱提高電子控制器的低溫特性。該方法對(duì)原有PCB電路的結(jié)構(gòu)影響小，對(duì)PCB板直接加熱，快速提升PCB板上元器件的溫度。

2 基于PCB銅箔層構(gòu)建加熱層

目前PCB普遍采用多層板，如圖1所示，按功能可分為導(dǎo)電層及基材，基材用于為元器件提供支撐保證元器件提供固定和支撐，一般采用FR4玻璃纖維材質(zhì)；導(dǎo)電層一般采用高純度銅箔，單層銅箔厚度一般為35um，通過(guò)在銅箔層上刻蝕出導(dǎo)電線路，為PCB上各個(gè)元器件建立電氣連接。

圖1：典型PCB板結(jié)構(gòu)

圖2

圖3：模擬機(jī)箱內(nèi)熱平衡時(shí)PCB板溫度分布圖

利用PCB內(nèi)部布線層，通過(guò)在該銅箔上刻蝕出導(dǎo)線，在導(dǎo)線兩端直接加載電流，利用導(dǎo)線的電熱效應(yīng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)PCB板的直接加熱。采用PCB銅箔層構(gòu)建加熱層有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）不影響PCB原有設(shè)計(jì)。加熱層在增加銅箔層中實(shí)現(xiàn)，不影響原來(lái)的PCB板布線和元器件布局。

（2）可根據(jù)需要對(duì)PCB板局部進(jìn)行加熱。通過(guò)靈活在在PCB板上繪制加熱導(dǎo)線區(qū)域，如圖2a、圖2b所示。

（3）重量、成本基本不變。PCB板導(dǎo)電層很薄，重量主要源自基材FR4，通過(guò)在其中增加銅箔層數(shù)不會(huì)帶來(lái)重量的明顯增加。

當(dāng)外部環(huán)境溫度過(guò)低時(shí)，電子控制器開始工作前，先接通PCB加熱層的開關(guān)，電子控制器機(jī)箱內(nèi)部的PCB板和元器件進(jìn)行加熱，待溫度達(dá)到控制器正常工作范圍后，電子控制器即可開始正常工作。

3 導(dǎo)電層導(dǎo)線長(zhǎng)度計(jì)算

在銅箔中構(gòu)建加熱層需要考慮以下因素：總的熱功率與導(dǎo)線的載流能力。熱功率決定了加熱的效率及穩(wěn)態(tài)時(shí)的最高溫度；載流能力決定了對(duì)應(yīng)線寬的PCB導(dǎo)線允許的最大電流值，PCB上的導(dǎo)線電流值過(guò)大時(shí)會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)線本身短時(shí)溫升過(guò)高而發(fā)生熔斷。

熱功率計(jì)算，根據(jù)導(dǎo)導(dǎo)電率計(jì)算公式：

其中ρ為純銅的電導(dǎo)率，L為導(dǎo)線長(zhǎng)度，S為導(dǎo)線截面積，當(dāng)采用銅箔層構(gòu)成導(dǎo)線時(shí)，一般標(biāo)準(zhǔn)銅箔厚度為h=35um，導(dǎo)線的截面積與線寬的關(guān)系為 S=wh，代入（1）可得：

根據(jù)焦耳定律，可知導(dǎo)線的功率與輸入電壓的關(guān)系為：

根據(jù)（3）可知，在材料已知條件下，熱功率與導(dǎo)線的長(zhǎng)寬比成反比，與供電電壓的平方成正比，與銅箔的厚度h成正比。當(dāng)電壓、功率確定后，導(dǎo)線的長(zhǎng)寬比即確定，進(jìn)行到熱層設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮選擇適當(dāng)?shù)木€寬，使實(shí)際流過(guò)導(dǎo)線的電流小于允許的最大電流。

以普通的PCB板為100mm×100為例，線寬選用w=0.25mm，采用迂回方式進(jìn)行單層布線，導(dǎo)線可達(dá)L=20m，代入公式計(jì)算有

此時(shí)可知R=40Ω，當(dāng)U=28V時(shí)，P=19.6 W，對(duì)應(yīng)的電流I=0.7A，電流值小于線寬允許的最大載流。

4 ANSYS Icepak仿真驗(yàn)證

ANSYS Icepak是一款電子散熱優(yōu)化專用分析軟件，對(duì)第3節(jié)中的PCB熱功率進(jìn)行Icepak建模熱仿真分析，評(píng)估加熱的效果與溫升是速度，模擬機(jī)箱在-55℃外部恒溫條件PCB板及機(jī)箱內(nèi)部的溫度場(chǎng)分布。

4.1 單層加熱

在Icepak中建立簡(jiǎn)化的機(jī)箱及PCB板的簡(jiǎn)化模型，機(jī)箱熱力學(xué)仿真，考慮標(biāo)準(zhǔn)重力條件、1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，對(duì)100×100mm，2mm厚PCB板進(jìn)行建模，設(shè)置機(jī)箱尺寸為120×120×120mm的灰鑄鐵機(jī)箱，表面作氧化處理，設(shè)置環(huán)境溫度為-55℃，初始狀態(tài)時(shí)，內(nèi)部充滿1個(gè)大氣壓力的空氣。PCB采用簡(jiǎn)化模型，表面銅箔厚度為35um，覆銅覆蓋率設(shè)置為50%，頂層與底層作為布線層，中間層用作主動(dòng)加熱層，單層加熱功率設(shè)置為19.6W，計(jì)算此時(shí)機(jī)箱內(nèi)部熱平衡時(shí)PCB板表面的溫度分布情況。重力設(shè)置為Y坐標(biāo)方向，PCB板位于XZ平面內(nèi)。

圖3、圖4為Icepak仿真計(jì)算結(jié)果，當(dāng)機(jī)箱內(nèi)部達(dá)到熱平衡，內(nèi)部溫度場(chǎng)穩(wěn)定后，PCB平面的溫度分布為：中心溫度最高，溫度場(chǎng)呈中心對(duì)稱，中心溫度可達(dá)-19.7℃，PCB四角溫度最低，最低溫度為-22.1℃；考慮機(jī)箱內(nèi)空氣對(duì)流條件，PCB板附近溫度分布呈現(xiàn)上部高，下部溫度低，熱空氣對(duì)流主要在機(jī)箱的上半部分，PCB板周圍空氣溫度大于-35℃，進(jìn)入工業(yè)級(jí)器件的環(huán)境溫度范圍，能夠滿足工業(yè)級(jí)器件正常工作。

溫升速度同樣是實(shí)際應(yīng)用一個(gè)重要指標(biāo)，要求惡劣條件下能快速提升機(jī)箱內(nèi)部溫度，使武器裝備迅速進(jìn)入戰(zhàn)備狀態(tài)。相同邊界條件，分別計(jì)算PCB中心點(diǎn)與四角上的點(diǎn)的溫度隨時(shí)間的變化趨勢(shì)，仿真結(jié)果見圖5。

根據(jù)圖2可知，溫度曲線在初始階段快速上升，約5分鐘左右PCB板中心點(diǎn)溫度達(dá)到-40℃，約15分鐘溫度變化趨于平緩，整個(gè)系統(tǒng)基本進(jìn)入熱平衡的狀態(tài)，PCB的溫度在-19℃基本不再發(fā)生變化。

4.2 雙層加熱

環(huán)境溫度更低條件下，為了更高的穩(wěn)態(tài)溫度和更快的溫升，不改變PCB線寬及銅箔厚度條件下，在PCB中加熱層的數(shù)目可以進(jìn)一步增大加熱功率。

計(jì)算雙層加熱條件下機(jī)箱的中心點(diǎn)與四個(gè)角點(diǎn)的溫度變化情況，此時(shí)總的加熱功率變?yōu)?9.2W，仿真計(jì)算結(jié)果如圖6。

由圖6可知，穩(wěn)態(tài)時(shí)PCB中心點(diǎn)溫度為-7.5℃，四角的點(diǎn)溫度為-9.7℃，分別較單層加熱提高了12.2℃、12.4℃，溫度到達(dá)穩(wěn)態(tài)的時(shí)間基本保持不變，溫升速度提高了約30%。

綜上所述，在-55℃外部條件下，通過(guò)在PCB板內(nèi)部構(gòu)建加熱層可將PCB板整體溫度快速提升到工業(yè)級(jí)器件適用范圍內(nèi)，通過(guò)靈活的配置加熱層的數(shù)目，可以進(jìn)一步提高加熱的功率與溫升的速度。

將PCB加熱層結(jié)合溫控開關(guān)組件，在溫度達(dá)到設(shè)定值時(shí)自動(dòng)斷開加熱層供電，可進(jìn)一步構(gòu)成一個(gè)自動(dòng)化的溫控系統(tǒng)。

5 結(jié)論

通過(guò)在PCB內(nèi)部銅箔上構(gòu)建加熱層的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)PCB板快速加溫的方法。通過(guò)理論分析與ANSYS Icepak仿真計(jì)算，對(duì)提出的方法進(jìn)行了驗(yàn)證。仿真計(jì)算結(jié)果表面，構(gòu)建的內(nèi)部加熱曾能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)PCB板整體的快速加溫，方法可行、高效。

圖4：模擬機(jī)箱熱平衡時(shí)XY平面溫度分布圖

圖5：?jiǎn)螌蛹訜酨CB中心點(diǎn)與四角點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化

圖6：雙層加熱PCB中心點(diǎn)與四角點(diǎn)溫度隨時(shí)間的變化