红外探测器组件钎焊设备的隔热效果分析_靳丽岩.pdf

（总第 300 期）电子工业专用设备Equipment for Electronic Products ManufacturingEEPMJun 2023收稿日期：2023-04-26红外探测器组件钎焊设备的隔热效果分析靳丽岩1，师开鹏1，胡北辰1，夏 丹2(1.中国电子科技集团公司第二研究所，山西 太原030024；2.东南大学机械工程学院，江苏 南京211189)摘要：红外探测器的杜瓦组件采用真空钎焊加工，钎焊设备的隔热效果影响杜瓦组件焊接的一致性。以全金属反射屏真空钎焊设备为研究对象，研究了真空钎焊设备热辐射理论，通过有限元仿真分析软件对真空钎焊设备升温过程进行数值模拟计算，分析升温过程反射屏温度分布及各层温度变化规律。优化确定了钎焊设备的反射屏厚度和层数的参数，保证较好的隔热保温性能同时可有效节约成本。可为其它真空钎焊设备的加热室设计提供参考依据。关键词：全金属反射屏；隔热效果；有限元分析；温度变化中图分类号：TN305文献标志码：B文章编号：1004-4507(2023)03-0026-05Analysis of Thermal Insulation Effect of Infrared DetectorAssembly Brazing EquipmentJIN Liyan1，SHI Kaipeng1，HU Beichen1，XIA Dan2(1.The 2ndResearch Institute of CETC，Taiyuan 030024，China；2.School of Mechanical Engineering，Southeast University，Nanjing 211189，China)Abstract:The Dewar component of the infrared detector is processed by vacuum brazing，and theinsulation effect of the brazing equipment affects the consistency of the Dewar component welding.In this paper，the thermal radiation theory of vacuum brazing equipment is studied，and the tempera-ture rise process of vacuum brazing equipment is numerically simulated by finite element simulationsoftware.The parameters for the thickness and number of layers of the reflective screen of the braz-ing equipment have been optimized and determined，ensuring good insulation performance while ef-fectively saving costs.This article can provide reference for the design of heating chambers for othervacuum brazing equipment.Key words:All metal reflective screen；Insulation effect；Finite element analysis；Temperature change先进封装技术与设备26（总第 300 期）电子工业专用设备Equipment for Electronic Products ManufacturingEEPMJun 2023制冷型红外探测器是遥感卫星、安防监控和环境监测红外相机等民用项目的核心部件。制冷型红外探测器将半导体芯片封装在一个微型真空薄壳杜瓦组件内部，应用在各种成像系统中。杜瓦组件是通过真空高温钎焊设备进行加工。真空钎焊设备热场稳定是保证杜瓦组件焊接一致性和良品率的重要因素。真空钎焊设备真空中的热量传递以辐射为主，为了提高热效率，通常在真空设备中设计多层金属薄板反射屏结构。反射屏是真空设备加热室的主要组成部分，主要作用是隔热、保温及减少热损失。反射屏选材以能在真空设备最高温度下工作为准则，在高温下有足够的强度，且翘曲变形小。反射屏材料需隔热效果好，即选用热导率小或黑度较小的材料，质量轻，蓄热小，热损失小，在真空中放气量小，不吸潮或少吸潮，耐热冲击，安装维修方便。通常依据炉胆的形状加工反射屏，将其包围电热元件，以便把热量反射回加热区，采用分段迭层结构可以避免变形弊端。真空设备的传热过程为电热元件将热量传递给首层屏，首层屏通过辐射传递给次层屏，依此类推，最后传递给水冷壁，传出的热量通过水冷通道循环冷却。屏的隔热效果与层数 n 的关系大体按 1/(n+1)变化。在真空设备的设计中，金属反射屏的设计受设备成本、能耗、工作环境与空间等因素影响。反射屏层数越多，隔热效果越好，可降低加热功率损耗，且可避免外壁温度过高。而减少反射屏层数可减少金属薄壁板材用量，并减小真空设备体积，降低真空泵等配套设备成本。但是，人们在真空设备的设计过程中通常侧重于加热器、真空系统等部件，而对反射屏的分析不足。本文重点关注工业真空设备的反射屏设计，从基础理论、材料选择、有限元分析等方面深入研究了金属反射屏对真空设备内热场的影响。1真空设备的热辐射理论热辐射是指物体向四周发射电磁能，并被其他物体吸收转化为热的热量交换方式。热辐射不需要介质，是真空中热传递效率最高的一种方式。本文研究反射屏对真空设备内温度场的影响，该情况下热辐射为主要传热方式，可忽略炉腔内热对流与热传导的影响。物体温度和黑度越高，单位时间向外辐射的能量越多。根据斯蒂芬-玻尔兹曼方程，物体的表面辐射能为：qout，k=kTk4+kqin，k(1)式中，k为物体黑度；为斯蒂芬玻尔兹曼常数；k为反射比；qin，k为周围环境能量流；qout，k为表面能量流；Tk为辐射面与吸收面绝对温度差。角系数（Fi，j）是表面 j 吸收表面 i 发出的辐射能与表面 i 发出的总辐射能的比值，是辐射换热的重要参数，用于描述呈某一夹角时两平面之间的辐射换热量，与两个表面的相对位置有很大关系。当两个表面正对且无限接近时，相互之间的换热量最大，即角系数最大；当两个表面位于同一平面上时，相互之间没有换热量，即角系数为零。在研究角系数之前，需假设辐射表面为散射面，且表面不同位置的辐射热流密度是相同的。角系数的计算方法通常采用直接积分法。两个有限大小的表面，采用直接积分法得到角系数的计算函数为：Fi，j=1AAiAjcosicosjr2dAjdAi(2)式中，Ai、Aj为平面 i 和平面 j 的面积；r 为微元 dAi和 dAj之间的距离。由公式(2)可以看出角系数具有如下特征：(1)角系数与平面距离的平方成反比；(2)角系数与cosi成正比，当 i=0 时，平面 i 辐射的热量最大；(3)角系数与 cosj成正比，当 j=0 时，平面 j 吸收的能量最大。根据斯蒂芬-玻尔兹曼定律，两个表面之间的热辐射计算方程为：Qi=iFijAi(Ti4-Tj4)(3)2反射屏的材料真空设备的金属反射屏需选择黑度低的材料，因为黑度低，反射效果好。反射屏在装配前需进行表面加工或处理。如钼片等可酸洗，不锈钢可先进封装技术与设备27（总第 300 期）电子工业专用设备Equipment for Electronic Products ManufacturingEEPMJun 2023进行抛光或镀镍处理。反射屏的材料必须能在要求的温度下正常工作，翘曲变形小，而且为了降低成本要根据热工计算所得各层温度合理选用材料，通常靠近电热元件的反射屏应选用耐高温材料，靠近炉壳的选择耐温性稍差一点的材料。常见反射屏材料的属性参数如表 1 所示。表1反射屏的材料参数材料钼不锈钢 1Cr25Ni20Si2不锈钢 0Cr18Ni9耐温极限/1 6501 0001 000热导率/W （m ）-11382520比热容/kJ （kg ）-1243500460密度/(kg m-3)10 2007 0007 850黑度/(kg m-3)0.120.550.55从表 1 可以看出钼片主要适用于真空设备内侧靠近的高温区，使用温度为 1 650 以下，不锈钢主要适用于真空设备外侧靠近炉壳的低温区，使用温度为 1 000 以下。综合真空设备的工作温度（7501 200）及成本等因素，反射屏的材料确定为内层钼片、外层不锈钢片的组合。按照热损失公式、热工计算及相似设备设计经验，初步设计本真空设备反射屏为 4 层钼片、2 层不锈钢加不锈钢外筒的组合。下面根据初步设计方案进行计算机建模与有限元仿真，分析反射屏的保温性能以及反射屏设计的合理性。3反射屏有限元分析通过瞬态快速升温的方法求解炉内的热场分布情况，基于加热系统的保温阶段分析反射屏的隔热效果。设备加热室结构如图 1 所示。在炉内温度稳定在 1 200 时各层反射屏的温度分布云图如图 2 所示。整体温度区间分布为173.51 110.8，由温度分布云图可知，反射屏达到了预期的保温效果。除了反射屏和炉壳内壁的温度场，前后 6 层门屏是另一个需要关注的隔热区域，图 3 给出了1 200 工作温度时前后门屏的温度分布云图，温度区间为 254.41 131.1，单层反射屏的温度由中心点向边缘逐渐降低，而总体上 6 层反射屏温度由内到外层层递减，能有效地对轴向温度场进行保温。由图 2、图 3 可知，第一层门屏的最高温度相比第一层筒状反射屏的要高，主要原因是门屏与电热元件之间的角系数较小，导致热辐射能力低于筒状反射屏，另外由于最外层的门屏距离电热元件中心位置较远，因此，整体上来说，6 层门屏之间的温度区间很大。在进行炉壳内壁的温度场仿真时，前后炉壳的椭圆结构被简化，图 4 是 1 200 工作温度时炉壳内壁的温度分布云图，可见炉壳内壁受真空反射屏保温效果和静态水冷系统的影响，温度区间为 67.4117.7。由此可见，反射屏的保温效果十分显著。根据反射屏的温度云图可知，反射屏达到了预期的保温效果，温度逐层递减，从第 2 层起温度已低于 1 000，第 5 层温度已低于 500，故满足不锈钢屏的温度适用范围。随着反射屏层数向外递增，反射屏中间部分的蓝色低温区逐渐扩散，呈现前后两侧温度较高，中间温度较低的分布，主要原因是反射屏边缘处与前后门屏的连接处有间隙，不具备角系数的封闭性，必然会导致辐射热损失增加，因此相应的温度更高；而反射屏中间区域与辐射源的角系数更大，能辐射更多的热量，因此保温效果更好。采用相似的方式，可分别模拟分析工作温度为1 050、900、750 时反射屏的隔热效果，不同图1加热室结构图先进封装技术与设备28（总第 300 期）电子工业专用设备Equipment for Electronic Products ManufacturingEEPMJun 2023图3在1 200 时前后门屏的温度分布云图图4在1 200 时封闭炉壳内壁的温度分布云图图2在1 200 时各层反射屏的温度分布云图工作温度下每层反射屏的平均温度变化曲线如图5 所示。从曲线变化规律不难看出，第 1 层到第 4层钼片的温度下降较快，隔热效果明显，以 1 200 工作温度为例，层层之间的温差为 150200，第5 层第 6 层不锈钢屏温度下降趋势减缓，层层之间的温差为 80 左右，主要是由于钼片的黑度比不锈钢要低。其中第 1 层的温度下降幅度要略快于 2 到 4 层，是由于第一层钼片的厚度较大，表明提高厚度能提高保温效果。第 7 层（外筒）到炉壳内壁的温度下降较快，这是因为外筒的厚度远大于内侧的 6 层反射屏。但是，厚度的增加势必也要增加材料的用量，提高真空设备的生产成本。（a）（b）（c）（d）（e）（f）