Тепловые и механические характеристики эс

Рассматриваемые вопросы:

7.1 Тепловой режим блоков МЭА.

7.2 Расчет тепловых режимов МЭА.

7.3 Механические воздействия на МЭА.

7.4 Защита блоков МЭА от механических воздействий.

Тепловой режим блоков МЭА

Под тепловым режимом радиоэлектронного блока понимают пространственно-временное распределение температуры в нём. Тепловой режим зависит от количества рассеиваемой мощности в блоке и считается нормальным, если температуры всех элементов конструкций блока в заданных условиях эксплуатации не превышает предельно-допустимых по ТУ.

Известно, что, как правило, большая часть всей потребляемой радиоаппаратом мощности рассеивается в виде тепла в нём, что может создать опасные перегревы термочувствительных элементов (бескорпусных транзисторов, диодных матриц, ферритовых сердечников и т.п).

Передача тепловой энергии, рассеиваемой в блоке, осуществляется известными тремя способами: конвекцией, излучением и теплопроводностью. Причем для аппаратуры, работающей в условиях космоса, основными видами передачи тепла являются теплопроводность и излучения. Теплопередача осуществляется от ИС к их основаниям (рамкам, печатным платам), от них тепло передается корпусу и далее в окружающее пространство.

Передача тепла с помощью конвекции подчиняется законам Ньютона:

,

где - количество тепла, переносимого газом или жидкостью в единицу времени от одной поверхности блока к другой или в окружающую среду, Вт;

- коэффициент конвекции, Вт/м^{2 0}С;

S - площадь поверхности теплоотдачи, м²;

- величина перегрева поверхностей относительно друг друга или относительно окружающей среды, ⁰С.

Конвекция бывает естественной и принудительной. В условиях естественной конвекции происходит передача тепла от корпуса блока в окружающую среду. Для этого случая величина a_к может достигать порядка 4 Вт/м^{2 0}С. Однако в ряде случаев такой вид передачи не удовлетворяет требованиям нормального теплового режима блока, и тогда применяют принудительное воздушное охлаждение за счет обдува корпуса специальными воздуходувками. Это резко изменяет режим теплоотдачи и увеличивает коэффициент конвекции в несколько десятков раз. Следует иметь в виду, что применение воздуходувок является целесообразным лишь при наличии нормальной или близкой к ней плотности воздуха. В условиях же разряженного пространства их применение бесполезно. В связи с этим рекомендуется применение систем жидкостного охлаждения, эффективность которого по сравнению с воздушным возрастает в 2-4 раза. В зависимости от способа переноса тепла жидкостью различают собственно жидкостные системы охлаждения и системы, использующие принцип переноса тепла за счет испарения и конденсации жидкости. Один из вариантов первого способа представляет собой металлические напаянные трубки, расположенные в основании блока или между ячейками, в которые протекает охлаждающая жидкость (этиловый или метиловый спирт, вода). Система охлаждения, построенная на принципе испарения жидкости фреона, представляет собой «тепловую трубу», один торец которой контактирует с «горячим» блоком, а другой выводится за блок и охлаждается. У горячего торца жидкость испаряется и под давлением и компрессора поступает к холодному торцу, где конденсируется. Далее по капиллярам «тепловой трубы» она вновь возвращается к горячему торцу, т.е. система имеет замкнутый цикл.

Применение систем принудительного охлаждения может увеличить коэффициент конвекции на несколько порядков, однако это вызывает значительное увеличение веса и объёма МЭА, поэтому в каждом конкретном случае необходимо выявить возможности их применения.

В принципе увеличение теплоотдачи конвекцией может быть достигнуто путём увеличения поверхности блока МЭА либо увеличением температурного перегрева. Однако первое противоречит идее микроминитюаризации, а второе ограниченно температурой окружающей среды.

В целом возможности повышения теплоотвода конвекцией в МЭА существенно ограничены.

Количество тепла отводимого от блока с помощью излучения (лучеиспускания), может быть рассчитано по формуле:

,

где - количество тепла переносимого электромагнитными волнами в единицу времени, от одной поверхности к другой или в окружающую среду, Вт;

S - поверхность теплоотдачи, м²;

- температурный перегрев ⁰С;

- коэффициент лучеиспускания, Вт/м^{2 0}С.

Коэффициент лучеиспускания определяется как:

,

где - приведенная степень черноты поверхности (принимаемая в МЭА равной 0,8);

- коэффициент облучённости (принимаем равным 1);

- значение функции, определяемое по таблице в зависимости от температур изотермических поверхностей тел или среды.

Передача тепла с помощью теплопроводности (кондукции) подчинена обобщённому закону Фурье:

,

где – количество тепла, передаваемого кондукцией в единицу времени от одной изотермической поверхности сопрягаемых тел к другой, Вт;

– коэффициент теплопроводности тела, определяемый по таблицам физических констант материала, Вт/м ⁰С;

* S* V– длина пути теплового потока, м;

- площадь поперечного сечения теплового потока, м².

Особенности тепловых режимов блоков МЭА заключаются в следующем:

- в блоках МЭА допустима более высокая удельная мощность рассеивания, нежели в блоках РЭА первых “поколений”;

- основным видом передачи тепла внутри блоков МЭА является теплопроводность.

Наиболее критичными к локальным перегревам в блоках МЭА являются бескорпусные полупроводниковые приборы (транзисторы, диоды, ИС1).

Первая особенность обусловлена уменьшением линейных размером блоков. Допустим, что блок РЭА имеет условную форму куба со стороной L. Тогда, объем его равен L³, а площадь теплоотдачи 6L³. Величина рассеиваемой мощности выразится как:

,

где – суммарный коэффициент теплопередачи блока за счёт конвекции и излучения во внешнюю среду, .

С другой стороны, эта же мощность может быть представлена, как , где – удельная мощность рассеивания в блоке, .

Решая эти два выражения совместно, можно определить, что . Откуда видно, что с уменьшением габаритов блока, его удельная мощность возрастает. По этой причине для МЭА допускаются значения удельной мощности порядка 15…20 Вт/дм³ вместо 3…5 Вт/дм³ для блоков РЭА на дискретных элементах.

Вторая особенность определяется тем фактором, что блоки МЭА имеют высокий коэффициент заполнения объёма и весьма малые внутренние газовые каналы передачи тепла. Поскольку материалы конструкции (алюминиевые, магниевые сплавы, ситалл, поликор и т. п.) имеют высокую либо среднюю теплопроводность и весьма низкое значение относительно степени черноты (порядка сотых –десятых долей единицы), то возможности передачи тепла с помощью кондукции гораздо значительнее, чем с помощью излучения.

Третья особенность вытекает из того факта, что пассивные элементы ГИС, выполненные в тонкопленочном варианте, достаточно термостойки и стабильны ( ), а активные бескорпусные элементы практически не защищены от перегревов. Кроме этого, они дополнительно в силу необходимости разделены от теплоотводящей подложки слоем клея, имеющего низкую теплопроводность (0,2 Вт/м ⁰С)

В связи с изложенным рекомендуют при разработке МЭА выбирать объем отдельных её блоков не более 0,5…0,6 дм³, а в случае перегревов, превышающих допустимые, делать оребрение корпусов при внешнем обдуве.

Наибольшей теплопроводностью, как известно, обладают металлы, малой – твёрдые диэлектрики и совсем незначительные – газы. Передача тепла теплопроводностью металлов является основным видом теплоотдачи в МЭА. Кроме этого, при компоновке блоков и ячеек источники тепла (бескорпусные ИС, транзисторы и другие радиоэлементы) располагают на металлических рамках, а теплоотвод от последних осуществляют к основанию или крышке корпуса с помощью стяжных болтов. Для увеличения теплоотдачи применяют материалы с коэффициентом теплопроводности порядка 100…200Вт/м ⁰С (алюминиевые сплавы, латунь и т.п.). Одним из способов повышения кондуктивной теплоотдачи является метод термоэлектрического охлаждения, основанного на эффекте Пельтье. Конструктивно это осуществляется подбором столбиков термоэлементов между нагретыми ячейками и корпусом блока. Другим способом защиты бескорпусных микросхем от местных перегревов является организация направленного теплоотвода от “горячего” субблока на основание. В этом случае нагретый субблок, например трансформаторный субблок питания, может быть укреплён дном на бобышках основания и изолирован диэлектриком по остольным 5 сторонам.

При компоновке блоков МЭА с целью обеспечения нормального теплового режима существуют некоторые общие рекомендации, а именно:

- более нагретые ячейки и субблоки следует монтировать ближе к основанию теплоотвода блока;

- для уменьшения локальных перегревов отдельные термочувствительные узлы необходимо выносить на корпус или в ниши блока, а более мощные ИС и транзисторы следует располагать по периферии ячейки, ближе к рамке;

- блоки питания желательно разбивать на несколько отдельных субблоеков (трансформаторных, стабилизаторных и т. п.) для увеличения суммарной поверхности теплоотдачи;

- при наличии внешнего обдува целесообразно оребрнение корпусов, причем ребра должны располагаться вдоль потока воздуха.

Расчет тепловых режимов МЭА

Расчёт базируется на известном методе электротепловой аналогии, который заключается в том, что перенос тепловой энергии в конструкциях рассматривается аналогично переносу электроэнергии в электрических схемах. При передаче тепла аналогом силы тока является тепловая мощность, аналогом разности напряжении - разность температур (перегрев) и аналогом электропроводности - тепловая проводимость элементов конструкции (б). При этом возможно составление тепловых схем конструкции и их расчет согласно основным правилам и законам электротехники (законам Ома, Кирхгофа, методу суперпозиции и т. п.). Закон Ома для тепловых схем записывается в следующей форме:

.

Величины, обратные проводимостям, называются тепловыми сопротивлениями.

Тепловой расчет блока МЭА заключается в определении температуры какой-либо i - ой части конструкции (корпуса, ячейки, микросхемы, р-п перехода транзистора, диода и т. п.) в зависимости от заданной мощности источников тепла внутри блока Р, времени и известной температуры окружающей среды . В общем случае необходимо определить:

.

Эта зависимость называется тепловой характеристикой элемента конструкции. Поскольку наиболее жестким является установившийся (стационарный) тепловой режим блока, когда местные перегревы достигают максимальных значений, и поскольку в блоке возможно применение принудительных систем охлаждения, отводящих мощность Q, то тепловая характеристика преобразуется к виду:

.

При этом считается, что габариты и объём блока V известны. Рассчитав тепловую характеристику конструкции при заданных V и и известных видах теплопередачи, можно варьируя объёмом получить их семейство и полученные зависимости перестроить в зависимости вида , имеющие практический интерес при конструировании. На рис. 7.1 приведены ориентировочные зависимости допустимой мощности рассеивания блока МЭА при =20…60 ⁰С и перегреве корпуса относительно среды 20 ⁰С от объёма корпуса и условий теплопередачи.

Рис. 7.1. Зависимость допустимой мощности рассеивания блока МЭА от объёма корпуса и условий теплопередачи

Корпус блока принят металлическим из алюминиевых сплавов без оребрения. Кривая 1 соответствует случаю излучения и естественной конвекции, кривая 2 - излучению и принудительной конвекции воздуха вокруг корпуса ( м/с), кривая 3 - только излучения.

Расчет с помощью тепловых характеристик состоит в том, что вначале задаются перегревом рассматриваемой поверхности на 10-15 ⁰С выше температуры окружающей среды и определяют возможный тепловой поток, который способна она передать в среду при заданных габаритах и формах. При этом определяется одна точка тепловой характеристики. Далее принимают перегрев поверхности, равным еще на 10-15 ⁰С выше первого, и аналогично определяют вторую точку графика. Третьей точкой является начало координат. Используя свойство линейности тепловых характеристик, по трём точкам её строят полностью.

При расчёте тепловых режимов МЭА можно ограничиться двумя вариантами. Первый вариант расчёта, характерный для металлических ячеек, основан на использовании в тепловой модели конструкции способа расчёта температур изотермических поверхностей. Он включает следующие основные этапы:

- расчет среднеповерхностной температуры корпуса;

- составление тепловой схемы блока;

- определение тепловых проводимостей отдельных участков между изотермами;

- определение температур изотермических поверхностей внутри блока и сравнение их с максимально допустимыми.

При этом методе расчёта тепловая схема блока включает тепловые проводимости, обусловленные конвекцией, излучением и теплопроводностью, а сам расчёт проводится согласно законам Ома, Кирхгофа по методу тепловых характеристик.

Второй вариант расчёта, характерный для неметаллических ячеек на печатных платах, основан на использовании метода однородного тела, который подразумевает представление системы тел, включающей несколько неоднородных тел, в виде монолитного теплового тела с постоянными теплофизическими параметрами. Основными этапами расчёта являются:

- определение среднеповерхностной температуры корпуса блока и среднеповерхностной температуры нагретой зоны;

- выделение в координатных осях x, y, z элементарной типовой ячейки и составление для неё тепловой схемы в эквивалентных теплопроводностях по тем же осям;

- выражение геометрических параметров нагретой зоны по осям x, y, z;

- определение температуры i-ого элемента в нагретой зоне и сравнение полученных данных с предельно допустимыми.

Особенностью данного способа является представление пакета ячеек в виде монолитного (без воздушных зазоров) однородного анизотропного тела с различными теплопроводностями по координатным осям. Сам расчет в данном случае проводится путём решения дифференциальных уравнений теплопроводности по закону Фурье.