ТЕПЛОВЫЕ И МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ
План
1 Тепловой режим блоков МЭА
2 Расчет тепловых режимов МЭА
3 Механические воздействия на МЭА
4 Защита блоков МЭА от механических воздействий
1 Тепловой режим блоков МЭА
Под тепловым режимом радиоэлектронного блока понимают пространствено- 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, осушествляется 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:
Р1 = aк*S*J
где Р1- количество тепла, переносимого газом или жидкостью в единицу времени от одной поверхности блока к другой или в окружающую среду, Вт;
aк- коэффициент конвекции, Вт/м2 0С;
S- площадь поверхности теплоотдачи, м2;
J- 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 aк может достигать порядка 4 Вт/м2 0С. 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:
P2 = aк*S*J
где P2- количество тепла переносимого электромагнитными волнами в единицу времени, от одной поверхности к другой или в окружающую среду, Вт;
S- поверхность теплоотдачи, м2;
J- температурный перегрев 0С;
aк- коэффициент лучеиспускания, Вт/м2 0С;
Коэффициент лучеиспускания определяется как:
αк = Εпр*φ*ƒ(t1, t2),
где Eпр- приведенная степень черноты поверхности (принимаемая в МЭА равной 0,8);
φ- коэффициент облучённости (принимаемый равным 1);
ƒ(t1, t2)- значение функции, определяемое по таблице в зависимости от температур изотермических поверхностей тел или среды;
Передача тепла с помощью теплопроводности ( кондукции ) подчинена обобщённому закону Фурье:
P3 = λЅ1J/ℓ,
где P3 – количество тепла, передаваемого кондукцией в единицу времени от одной изотермической поверхности сопрягаемых тел к другой, Вт;
λ – коэффициент теплопроводности тела, определяемый по таблицам физических констант материала, Вт/м 0С;
ℓ* S* V– длина пути теплового потока, м;
S1- 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:
P = k*S*J,
где k – суммарный коэффициент теплопередачи блока за счёт конвекции и излучения во внешнюю среду, S = 6L2.
С другой стороны, эта же мощность может быть представлена, как
P = Pуд*V,
где Руд – удельная мощность рассеивания в блоке, V = L3.
Решая эти два выражения совместно, можно определить, что Руд = 6k*V/L. 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 (ТК≈3*10-4), 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 (0,2Вт/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-теплоотводу 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.
2. 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 следуещей форме:
Р = б*J,
Величины, обратные проводимостям, называются тепловыми сопротивлениями.
Тепловой расчет блока МЭА заключается в определении температуры ti 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 τ и известной температуры окружающей среды tС. В общем случае необходимо определить
ti - tc = ƒ1(P, τ).
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:
ti - tc= ƒ2(P, Q).
При этом считается, что габариты и объём блока V известны. Рассчитав тепловую характеристику конструкции при заданных V и tc и известных видах теплопередачи, можно варьируя объёмом получить их семейство и полученные зависимости перестроить в зависимости вида (Р, Q) = ƒ3 (V), имеющие практический интерес при конструировании. На рис.1 приведены ориентировочные зависимости допустимой мощности рассеивания блока МЭА при tс=20…60 0С и перегреве корпуса относительно среды 20 0С 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- излучен
Рис.1. Зависимость допустимой мощности рассеивания блока МЭА от объёма корпуса и условий теплопередачи.
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 прводится путём решения дифференциальных уравнений теплопроводности по закону Фурье.
3. Механические воздействия на МЭА
МЭА должна быть механически прочной и устойчивой. При обеспечении механической прочности необходимо, чтобы механические воздействия не оставляли необратимых изменений. При выполнении требования механической устойчивости необходимо, чтобы механические воздействия не оказывали влияния на электрические характеристики аппаратуры.
В процессе эксплуатации ЭС в микроэлектронном исполнении, хотя и в меньшей степени, но всё же испытывает вибрационные и ударные механические нагрузки.
Параметрами вибрации являются амплитуда (А, мм), частота (f, Гц), ускорение, выражаемое в единицах ускорения свободного падения (g). Ударное воздействие чаще всего характеризуется величиной ускорения. Ударные нагрузки менее опасны (при равных g), чем вибрации. Например, для МЭА летательных аппаратов характерны следующие параметры механических воздействий, представленные в таблице 1.
Влияние вибраций сводится к тому, что при совпадении частоты возмущений силы и частоты собственного резонанса конструкции МЭА возникает явление механического резонанса, при котором усилия возрастают настолько, что могут привести к механическим разрушениям изделия.
Удары и ускорения наиболее опасны для хрупких напряжённых деталей особенно из керамики, стекла и ферритов. При ударах возможно разрушение деталей и узлов в местах крепления.
Основной мерой защиты конструкции МЭА от вибрации, ударов и ускорений является применение амортизаторов – демпферов.
На основании вышеизложенного для обеспечения надёжной работы МЭА необходимо проведение соответствующих инженерных расчётов по определению тепловых режимов и ожидаемых механических нагрузок, исходя из условий установки МЭА на объекты и условий эксплуатации. На основании этих расчётов принимаются специальные меры по обеспечению теплоотвода и применению амортизаторов и демпферов. Воздействие ожидаемых уровней радиации устраняется соответствующей защитой конструкции аппарата.
4 Защита блоков МЭА от механических воздействий
При эксплуатации и транспортировке на МЭА, действуют вибрации, удары и линейные ускорения. Так, например, вибрации характеризуется перегрузками, достигающими 30g в диапазоне частот от 30 до 5000 Гц, а линейные ускорения и удары – перегрузками до 50g. Действие этих факторов может привести к поломке выводов, подложек микросхем, возникновению в них усталостных напряжений, разрушению контактов и герметизации блоков.
Особенностью МЭА по сравнению с обычной РЭА является её повышенная виброустойчивость, вибро- и ударопрочность. Объясняется это следующим. Во-первых, поскольку частоты собственных колебаний радиоэлектронного аппарата, определяемые выражением ƒ0i = 1/2π*√ki /mi, где ki, mi - соответственно жёсткость крепления и массы i-ых элементов конструкции, при заметном уменьшении масс и увеличении жёсткости крепления элементов МЭА значительно возрастает, то это приводит к уменьшению числа опасных низкочастотных резонансов. Опасность низкочастотного резонанса в РЭА проявляется в резком увеличении амплитуды колебаний тел при вынужденной вибрации, определяемой выражением А= 250n /ƒ2, мм, где n - величина перегрузки, ƒ – частота вибрации, Гц. Во-вторых, для МЭА и её элементов при линейных ускорениях и ударах, значительно уменьшаются разрушающие силы Fi= n*mi*g, поскольку массы элементов конструкции опять-таки имеют малые величины.
Степень защиты МЭА от механических воздействий во многом зависит от прочности ГИС и методов их крепления в металлических рамках ячеек.
Прочность ГИС от воздействия ударов и вибраций, в основном определяется прочностью выводов навесных активных бескорпусных элементов и перемычек. На подложке типовой ГИС устанавливается обычно несколько десятков бескорпусных полупроводниковых приборов и перемычек. Каждый полупроводниковый прибор имеет по несколько выводов. Вибропрочность выводов определяется их длиной и консольностью. Допустимыми считается размеры перемычек и выводов по длине L ≤ 100d и консольности c ≤ 10d, где d- диаметр проводника, обычно равный 0,05 мм. Выводы и перемычки не должны иметь перегибов, а разварка их на подложке должна осуществляться без натяга. При этом допускаемые нормальные напряжения усилий на разрыв не должны превышать при вибрациях 2кг/мм2, при линейных ускорениях 4,3 кг/мм2 и ударах 7,2 кг/мм2.
Установлено, что ГИС, обладающие запасом вибропрочности, заведомо прочны к воздействиям ударов и линейных ускорений. При вибрациях на низких частотах наиболее опасны для ГИС амплитуды изгибных колебаний, приводящие к отрыву выводов, а на верхних частотах - виброскорости колебаний, создающие усталостные напряжения в элементах ГИС. Приняты следующие ограничения по амплитуде изгибных колебаний подложек ГИС и допустимые виброскорости соответственно А ≤ 0,3 мм и J ≤ 800 мм/с.
Расчет виброчности ячейки, как несущей конструкции ГИС, сводится к определению собственной частоты ячейки, сравнению её со значениями частот, определяемых из условий допустимой амплитуды и виброскорости в заданном в диапазоне частот внешних вибраций к выбору того или иного типа крепления ГИС в ячейки по заданным величинам. Тип крепления ГИС в ячейки определяет её коэффициент динамичности β. Коэффициент динамичности показывает, в какое число раз конструкция ячейки усиливает внешние колебания. Чем меньше коэффициент динамичности, тем слабее нежелательные резонансные свойства ячейки.
Расчет собственной частоты ячейки может быть проведен приблизительно по формуле:
ƒ0≈ (1/2π)*(π(1+ a2/b2)/a2)*√k/m,
где а и в - длина и ширина ячейки,
k-жесткость ячейки, соответствующая жесткости платы рамки,
m - приведенная погонная масса ячейки.
Допустимые значения собственной частоты ячейки из условий максимально возможных амплитуды и виброскорости могут быть найдены из следующих соотношений:
ƒ01= 1/2π*√β*n*g/A,
ƒ02= 1/2π* β*n*g/J.
где n - величина перегрузки при вибрациях,
g - ускорение силы тяжести м/с2.
Определение эффективности вибропрочности того или иного типа ячейки при заданных параметрах внешних вибраций удобно проводить по номограмме. Номограмма представляет собой ряд графиков, построенных в координатах « величина перегрузки – частота ». Ломанные линии, образующие семейство графиков для различных коэффициентов динамичности ячеек, получены расчетным путем по формулам выше из условий допустимых значений амплитуды А ≤ 0,3 мм, и виброскорости J ≤ 800 мм/с. Причём левые части кривых соответствуют первому условию, а правые (более пологих ) – второму. В точке излома выполняются оба условия вместе. Таким образом, область, ограниченная кривой графика сверху является областью нормального обеспечения вибропрочости. Ступенчатая кривая отображает заданные параметры внешних вибраций (величины перегрузок в определённых диапазонах частот). После определения собственной частоты ячейки необходимо из расчетной точки восстановить перпендикуляр и сравнить уровень перегрузок на этой частоте для внешних вибраций (ступенчатая кривая) и допустимый уровень перегрузок ячеек (ломаная кривая с выбранным β). Если первый уровень выше второго, то из семейства ломанных кривых надо выбрать такой, где его условие будет нарушено, т. е. принять тип ячейки с меньшим β, который обеспечит требуемую вибропрочность.
В заключении остановимся на некоторых вопросах применения амортизаторов в МЭА. В связи с малой массой блоков МЭА прогиб амортизаторов Z0, мм под действием силы тяжести блока становится весьма незначительным, это приводит к увеличению собственной частоты системы амортизируемых тел
ƒ0A= 15,8/√ Z0, Гц
и резкому уменьшению частот вынужденных и собственных колебаний ƒ/ƒ0A. Последнее значительно ухудшает эффективность амортизации (обычно выбирают ƒ0A в 10 раз меньше ƒ, при этом эффективность составляет 99,9 %). По этой причине применение амортизаторов в МЭА, как правило, нецелесообразно. При существующей тенденции уменьшения габаритов и весов блоков одновременно должны выполняться требования по уменьшению этих показателей амортизаторов. Однако стремление выполнять эти требования приводит к низкой эффективности амортизаторов из-за неспособности снизить ударные перегрузки при их длительности более 0.015 сек и наличия резонансных частот амортизаторов в рабочем диапазоне вибраций МЭА. Поэтому надо признать, что наиболее эффективным средством защиты блоков МЭА и их компонентов от механических воздействий в настоящее время является демпфирование микросхем в ячейках с помощью вязко - упругого компаунда типа КТ-102, выполняющего одновременно функции клея. Оптимальная толщина клеевого соединения составляет 0,1…0,3 мм. Степень демпфирования пропорциональна площади склеивания, которая может быть увеличена также за счёт многослойного склеивания.
Крепление блоков и устройств МЭА на объекте должно быть жёстким, на коротких и толстых болтах либо с помощью скоб. Однако в тех случаях, когда масса блока МЭА сравнима с массой блоков обычных РЭА, возможно применение демпфированных амортизаторов типов АПК, ДК-А и тросовых амортизаторов.