高溫度穩(wěn)定性需求的焦平面熱控方案及實(shí)施方法

孔燕 柏添

【摘? 要】某衛(wèi)星時間延遲積分（TDI）CMOS焦平面組件是空間相機(jī)的核心部件之一，其工作溫度是影響相機(jī)成像質(zhì)量的關(guān)鍵因素。該衛(wèi)星焦平面組件采用相變熱管對CMOS傳感器進(jìn)行溫度控制。相變熱管的安裝實(shí)施需要滿足熱設(shè)計需求、安全性需求，且不會對焦平面的拼接精度產(chǎn)生影響，屬于關(guān)鍵過程和難點(diǎn)操作。論文提出了一種可靠的實(shí)施方法并進(jìn)行了驗證，確保最大限度吸收CMOS產(chǎn)生的熱量，利用真空下焦平面組件溫升試驗對熱設(shè)計和熱實(shí)施方法進(jìn)行了驗證。

【Abstract】The CMOS focal plane component of a satellite time delay integration （TDI） is one of the core components of a space camera， and its working temperature is the key factor affecting the imaging quality of the camera. The satellite focal plane component uses phase change heat pipe to control the temperature of CMOS sensor. The installation and implementation of phase change heat pipe needs to meet the thermal design requirement and safety requirement， and will not affect the splicing accuracy of focal plane， which is a key process and difficult operation. The paper puts forward and verifies a reliable implementation method to ensure that the heat generated by CMOS can be absorbed to the maximum. The thermal design and thermal implementation method are verified by the temperature rise test for focal plane component under vacuum.

【關(guān)鍵詞】焦平面熱控;相變熱管;實(shí)施方法

【Keywords】thermal control of focal plane; phase change heat pipe; implementation method

【中圖分類號】V445.8? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號】1673-1069（2021）10-0185-03

1 引言

空間相機(jī)廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)、軍事活動、科學(xué)研究和社會活動等領(lǐng)域，對人類社會的發(fā)展產(chǎn)生了重大而深遠(yuǎn)的影響[1]。焦平面組件及成像傳感器是空間相機(jī)最重要的組成部分，直接決定相機(jī)所獲得圖像的質(zhì)量。該型號衛(wèi)星所采用的成像傳感器為時間延遲積分（TDI）CMOS，該傳感器是一種新型光電傳感器件，具有成像靈敏度高、對象面能量要求低等特點(diǎn)[2]，但該傳感器讀出頻率大、功耗高、發(fā)熱量高，導(dǎo)致工作過程中溫升極快。過高的工作溫度將使CMOS產(chǎn)生熱噪聲，降低輻射精度，削弱光電轉(zhuǎn)換能力，嚴(yán)重影響成像質(zhì)量。故其焦平面中依托結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理有效的熱控設(shè)計和熱控實(shí)施是至關(guān)重要的。

正確的熱設(shè)計是成功進(jìn)行熱控實(shí)施的前提，而恰當(dāng)?shù)臒峥貙?shí)施有力保障了熱設(shè)計的有效性，特別是針對焦平面這類敏感組件，合理的熱控實(shí)施方法不但能實(shí)現(xiàn)熱控的技術(shù)需求，還能將結(jié)構(gòu)、電子學(xué)的影響降到最低。本文在介紹高分02星焦平面組件熱設(shè)計方案的同時，著重介紹了熱控實(shí)施方法，為后續(xù)CMOS傳感器焦平面的熱設(shè)計和熱實(shí)施提供一定的參考和指導(dǎo)作用。

2 焦平面熱設(shè)計方案

目前，焦平面熱解決方案主要有2類：第一類是利用大熱容物質(zhì)吸收CMOS工作時產(chǎn)生的熱量，從而達(dá)到減小成像期間傳感器溫升的目的;第二類是利用高導(dǎo)熱物質(zhì)（槽道熱管、環(huán)路熱管、導(dǎo)熱索等）將熱量直接導(dǎo)到冷端，保持焦面溫度穩(wěn)定。這2類方法均可達(dá)到穩(wěn)定焦面?zhèn)鞲衅鳒囟鹊哪康模诙惙椒ㄐ枰蛊矫媾c衛(wèi)星平臺預(yù)先留有較大空間的接口設(shè)計，且衛(wèi)星平臺資源富裕，有散熱冷板以保證熱管或?qū)崴鞯陌惭b，同時，需要一定補(bǔ)償功耗來維持焦平面在不工作時的溫度。綜合以上因素，考慮到該衛(wèi)星的整星資源、空間、重量等方面限制，選擇對直接安裝在焦面組件內(nèi)部的相變熱管進(jìn)行熱設(shè)計。

某衛(wèi)星焦平面組件結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由基板、前屜、中屜和后屜電箱組成，成像時功耗約為50W。焦平面一共包含5片CMOS，每片CMOS質(zhì)量約為20g，單片CMOS工作時熱耗約為2.7W。CMOS通過墊片、基座、壓板可靠地安裝在基板上。焦平面采用光學(xué)拼接的方式擴(kuò)大其視場，通過調(diào)整基座和墊片的厚度、位置，各片CMOS之間相互位置精度可以達(dá)到10μm以下。

焦平面共設(shè)計布置相變熱管5根，其中基板相變熱管3根，針腳相變熱管2根。用于吸收CMOS工作時產(chǎn)生的熱量。從熱設(shè)計角度考慮：為了讓相變熱管更好地發(fā)揮作用，熱管與CMOS之間的熱阻應(yīng)當(dāng)盡量小，接觸盡量好。從結(jié)構(gòu)設(shè)計角度考慮：焦平面是高精密組件，為了保持CMOS的拼接精度，熱管的安裝應(yīng)盡量與焦平面組件在結(jié)構(gòu)上解耦，避免直接剛性接觸。這一矛盾需求，極大地加重了相變熱管安裝和熱控實(shí)施的難度：一方面，熱控實(shí)施需要保證CMOS產(chǎn)生的熱量能夠和熱設(shè)計需求一樣，順利導(dǎo)入相變熱管;另一方面，熱控實(shí)施還需要兼顧結(jié)構(gòu)和電子學(xué)方面的需求，保證熱管和CMOS基座不發(fā)生擠壓，熱管及其導(dǎo)熱方式不會引起電路故障等。實(shí)施的質(zhì)量關(guān)系到焦平面的成像效果。

3 焦平面熱實(shí)施方法

焦平面相變熱管的熱控實(shí)施主要分為以下3個部分：

①相變熱管驗收;②基板相變熱管安裝;③針腳相變熱管安裝。

3.1 相變熱管的驗收

基于航天產(chǎn)品的高可靠性要求，故使用前需對熱管進(jìn)行完整的鑒定、驗收工作。相變熱管的鑒定工作主要包括加速壽命試驗、振動試驗等。驗收工作主要包括熱管清潔、外部膠封、研磨、熱循環(huán)試驗、熱真空試驗等，具體流程如圖2所示。

熱管的清潔與稱重：主要檢查相變熱管的重量是否滿足設(shè)計指標(biāo)，熱管在運(yùn)輸過程中是否發(fā)生損壞泄漏。

涂膠：相變熱管主要的密封方式是焊接密封。在焊接密封的基礎(chǔ)上為了增強(qiáng)焊縫強(qiáng)度，提高熱管可靠性，在焊縫內(nèi)外兩側(cè)均增設(shè)一層膠封，內(nèi)側(cè)膠封在外協(xié)單位完成。外側(cè)膠封需要嚴(yán)格控制用膠量，且保證涂抹均勻，厚度為1mm左右，無氣泡（如圖3所示）。固化后可達(dá)到加強(qiáng)密封的效果。

研磨、平面度檢測：將熱管安裝面平面度研磨至5μm左右，從而保證熱管的安裝不會使焦平面基板發(fā)生變形。

熱循環(huán)、熱真空試驗、性能測試：熱循環(huán)為10.5個循環(huán)，溫度范圍為-2～60℃，考驗相變熱管承受快速溫度變化的能力。熱真空為3.5個循環(huán)，溫度范圍為-20～60℃，考驗相變熱管在真空條件下經(jīng)受交變溫度的能力。性能測試主要利用10W的固定熱源進(jìn)行加熱，觀察相變平臺時間與設(shè)計值是否吻合。試驗過程和結(jié)果如圖4所示。

平面度復(fù)測：在經(jīng)歷一系列試驗后，對熱管的平面度進(jìn)行復(fù)測，要求熱管的平面度變化在±3μm以內(nèi)，方可符合驗收標(biāo)準(zhǔn)。

完成以上工作后，需要對每根熱管進(jìn)行重量復(fù)測、清潔等工作，進(jìn)一步排查有失效可能的熱管。最后對每根熱管進(jìn)行編號、存放。

3.2 基板相變熱管的安裝

基板上的相變熱管共計3根，利用螺釘固定在基板上，并與CMOS基座產(chǎn)生接觸，從而通過基板和基座的間接導(dǎo)熱，從COMS吸收熱量。為了使相變熱管發(fā)揮最大作用，熱管與基板及熱管與基座之間的接觸熱阻應(yīng)當(dāng)盡量小，故選擇在基板與熱管、基座與熱管之間添加絕緣導(dǎo)熱墊，增大其之間的微觀接觸。安裝前狀態(tài)如圖5所示。

在理想狀態(tài)下，相變熱管、基座、基板之間的接觸關(guān)系如圖6和圖7所示，但實(shí)際應(yīng)用時發(fā)現(xiàn)，由于CMOS拼接的緣故，基座與壓板、墊片一般都不在同一平面，存在不易察覺的微小縫隙，影響熱管側(cè)面的傳熱效果。加大緊固壓力或增加導(dǎo)熱墊厚度會對CMOS基座產(chǎn)生過大擠壓，破壞焦面拼接狀態(tài)，影響圖像質(zhì)量。因此，選用具有自然流動特性的硅橡膠進(jìn)行填充。

安裝好相變熱管并確認(rèn)與基板和基座有良好接觸后，將熱管與CMOS壓板用3層導(dǎo)熱石墨片連接，進(jìn)一步增強(qiáng)相變熱管與CMOS之間的熱交換能力。為防止導(dǎo)熱石墨片與壓板、熱管脫粘，需要在接縫處涂覆薄薄一層硅橡膠。至此，基板上的熱管安裝完成。

3.3 針腳相變熱管的安裝

在完成電子裝聯(lián)的芯片針腳與相變熱管之間放置導(dǎo)熱墊，使得芯片可以通過相變熱管進(jìn)行散熱。為保證導(dǎo)熱墊與針腳有合適的接觸量，又不會對電路板產(chǎn)生過大擠壓力，備有多種厚度的隔熱墊。安裝時，由薄到厚逐一嘗試安裝，找到恰好產(chǎn)生微小壓痕厚度的隔熱墊。安裝中，一旦觀察到壓痕產(chǎn)生，則不應(yīng)使用更厚的隔熱墊進(jìn)行再次嘗試。

4 熱管安裝效果的試驗測試

相變熱管能否發(fā)揮預(yù)期效果，起到穩(wěn)定CMOS溫度的作用，關(guān)鍵在于以下2個方面：

第一，相變材料的相變潛熱是否大于CMOS工作期間所產(chǎn)生的熱量。

第二，相變熱管與熱源的接觸是否良好。

第一點(diǎn)已經(jīng)通過理論計算進(jìn)行了保障，而第二點(diǎn)主要通過熱控實(shí)施來進(jìn)行保障。為驗證相變熱管是否發(fā)揮作用，進(jìn)行了焦平面熱真空溫升對比試驗。試驗方法是在真空環(huán)境下，環(huán)境溫度為15℃，測試CMOS上電工作10min的溫升情況。試驗結(jié)果如圖8所示。

5 結(jié)語

本文根據(jù)衛(wèi)星焦面相變熱管安裝使用過程中遇到的實(shí)際問題，改進(jìn)了熱控實(shí)施過程，針對熱管產(chǎn)品可靠性保證的需求，總結(jié)出必要的預(yù)處理和驗收工作項目，設(shè)計了合理工作順序。針對相變熱管使用中效果不穩(wěn)定的現(xiàn)象，找出了接觸不良的原因，采取了使用硅橡膠填充的方法。形成了清晰、高效的相變熱管熱控實(shí)施過程。改進(jìn)效果驗證試驗結(jié)果和后續(xù)產(chǎn)品生產(chǎn)驗證表明：嚴(yán)格執(zhí)行該過程，CMOS殼體溫升穩(wěn)定在3.5℃附近，不再出現(xiàn)最高可波動至13℃的不穩(wěn)定情況，證明了熱設(shè)計和熱實(shí)施過程的有效性。

【參考文獻(xiàn)】

【1】賈學(xué)志，張雷，安源，等.高速TDI CCD空間相機(jī)焦平面設(shè)計與實(shí)驗[J].光學(xué)學(xué)報，2014，34（8）：285-291.

【2】王棟，閆勇，金光.空間相機(jī)高速TDICCD焦面組件熱設(shè)計及試驗研究[J].光電工程，2011，38（11）：45-49.