光谱成像仪CCD组件的稳态/瞬态热分析与验证

　　1　引　言

　　据统计，55%的电子设备失效是由温度过高引起的，过热损坏已成为电子设备的主要故障形式，因此对电子设备进行热设计，实施有效的热控制是提高产品可靠性的关键，对可靠性要求高的航空航天电子系统尤为如此[1-3]。随着现代科技和空间遥测技术的不断发展以及信息量的增大，对空间光学 CCD成像遥感器分辨力的要求不断提高，虽然通过优化驱动系统设计等方法能够降低CCD组件功耗[4]，但CCD 组件的功耗还是越来越大[5]。研究表明，器件过热是CCD器件失效的主要原因之一，它不仅严重地限制了CCD器件的性能及可靠性的提高，也降低了CCD器件的工作寿命[6-8]。

　　解决电子设备过热，提高产品可靠性的相关技术称为电子设备热技术。它主要包括：热分析、热设计及热测试3大技术，是发现解决电子设备热缺陷不可缺少的技术手段[9]。热分析技术分为稳态和瞬态分析两种，对于缩短电子产品的研制开发周期、提高电子产品设计的合理性以及可靠性而言，稳态分析和瞬态分析都是必不可少的，两者计算结果的对比分析能够为热设计优化提供依据[10-11]。热分析方法主要有分析方法和数值方法。其中分析方法对高阶偏微分方程缺乏有效的求解方法，只能求解一些简单的问题;而随着现代计算机技术的飞速发展，用数值方法求解传热学问题所占的比重越来越大[9]。目前，数值方法主要分有限元法(Finite　Element　Method，FEM)、有限差分法(Finite　Difference　Method，FDM)和有限体积法(Finite　Volume　Method，FVM)3种。有限元法的数学基础是广义变分原理，最大的优点是能够对复杂的几何形状进行求解，允许局部加密网格，计算精度较高[12]。

　　本文利用有限元热分析软件IDEAS-TMG对光谱成像仪CCD组件进行稳态和瞬态热分析，通过仿真结果的对比，分析验证了热设计方案的正确性，同时为提高CCD组件的可靠性和热设计优化提供了理论依据，对热试验以及在轨工作温度预测有重要的指导意义。

　　2　热传导问题描述[12-14]

　　2.1　稳态热传导

　　常物性、稳态的温度场控制方程为：

　　式中，T 表示组件的温度，Φ 表示组件内热源，κ为材料的导热率。经有限元空间离散后，稳态热传导方程为：

　　K·T=P， (2)

　　式中，K 为热传导矩阵，T 为节点温度矩阵，P 为温度载荷矩阵，求解式(2)可得到组件各个节点温度。

　　2.2　瞬态热传导

　　常物性、瞬态的温度场控制方程为：

　　式中，ρ为材料密度，c为材料热容，t为时间。经有限元空间离散后，瞬态热传导方程为：