Тепловой режим конструкций РЭС

Тепловой режим РЭС характеризуется совокупностью температур всех его элементов. Основные тенденции эволюции современных РЭС в микроэлектронном исполнении:

– увеличение сложности и уменьшение габаритов;

– повышение требований к стабильности параметров Т.

Эти тенденции противоречивы, так как первая увеличивает напряженность теплового режима, а для выполнения второй надо его облегчать.

В процессе производства, хранения и эксплуатации РЭС могут подвергаться воздействию положительных и отрицательных температур, обусловленных влиянием окружающей среды, объекта установки и тепловыделением самого РЭС. Например, на наземных подвижных объектах диапазон изменения температуры, где могут быть установлены РЭС -60…+60 ⁰С. Само РЭС является источником теплоты, так как его КПД менее 100 % (например, для усилителя на транзисторах 50…60 %). Если эту энергию не рассеивать в элементах конструкции или окружающем пространстве, то повышается температура РЭС, нарушается его нормальный режим функционирования или наступает отказ. Температура влияет на многие параметры материалов, ЭРЭ, полупроводниковых приборов, ИМС.

 

6.3.1. Разновидности теплоотвода – теплопроводность,

тепловое излучение, теплопередача конвекцией

 

Все эти разновидности используются в конструкциях РЭС для отвода тепла от нагретых элементов к холодным и в окружающую среду.

Теплопроводность имеет место при передаче тепла внутри одного элемента или к другому элементу, находящемуся с ним в контакте. Этот процесс теплопередачи определяется законом Фурье, по которому мощность теплового потока, передаваемая в виде тепла, находится из выражения

,

где - коэффициент теплопроводности материала, Вт/м∙К;

l_Т – длина пути теплового потока, м;

Т₁, Т₂ – соответственно температуры нагретого и холодного тела, К;

S_T – теплопроводящая площадь, м².

Тепловое излучение – передача тепловой энергии в виде электромагнитных колебаний. При попадании на другое тело энергия разогревает его, превращаясь снова в тепловую.

Мощность теплового потока передаваемого излучением определяется законом Стефана-Больцмана и в общем виде определяется соотношением:

 

,

где – коэф. передачи тепла излучения, Вт/м²∙К;

Т_и, Т_н – соответственно температура излучающей и нагреваемой поверхности, К;

S _и – площадь излучающей поверхности, м².

Значение коэффициента λ_л зависит от степени черноты излучающей поверхности. Лучистая энергия не только поглощается поверхностью, но и отражается ею. Степень поглощения или отражения зависит от состояния поверхности.

Рекомендации при конструировании РЭС:

– теплопроводящие пути выполнять короткими;

– в соединениях деталей обеспечивать тепловой контакт по возможно большей площади;

– соединяемые теплопроводящие элементы должны быть сжаты между собой, например с помощью винтовых соединений;

– теплоотводящие материалы должны иметь большие значения коэффициента теплопроводности.

Отвод тепла с использованием теплопроводности широко используется в конструкциях РЭС при монтаже мощных транзисторов, диодов, ИМС и других элементов. Они крепятся на специальных элементах, называемых радиаторами, или теплоотводящих шинах, от которых тепло, в свою очередь, передается на корпус РЭС и далее – в окружающую среду.

Отвод тепла излучением также широко используется в конструкциях РЭС. Так, например, в целях защиты теплочувствительных элементов от перегрева устанавливают теплопоглощающие или теплоотражающие экраны. Первый имеет матовую, оксидированную поверхность черного цвета или окрашенную эмалевыми или масляными красками. Второй имеет глянцевую поверхность светлых тонов, зеркальную или полированную.

Теплопередача конвенцией происходит в среде воздуха, газа или жидкости, соприкасающейся с нагретыми поверхностями элементов конструкции РЭС.

Процесс теплопередачи конвекцией определяется законом Ньютона:

 

,

 

где – коэффициент теплопередачи конвекцией, Вт/м²∙К;

Т_н – температура нагретого тела, К;

Т_с – температура окружающей среды, К;

S_к – площадь тепловыделяющей поверхности, м².

Различают конвекцию свободную (естественную) и принудительную.

Для обеспечения заданного температурного режима модулей РЭС используются системы охлаждения, различающиеся:

– по способу организации системы (индивидуальная, групповая);

– по роду хладагента (воздух, жидкость);

– по способу движения хладагента (естественное, принудительное);

– по виду теплового контакта (с прижимными устройствами, с резьбовым соединением);

– по виду материала теплоотвода (металл, керамика);

– по конструктивному исполнению теплоотвода (односторонний, двухсторонний, объемный);

– по способу передачи теплоты в окружающую среду (без промежуточного теплоносителя и с ним).

 

6.3.2. Способы охлаждения РЭС

Подавляющее большинство РЭС (свыше 90 %) в настоящее время проектируются с использованием воздушного охлаждения. Воздушное охлаждение может быть естественным или принудительным (рис 6.45).

 

а б с

 

Рис. 6.45. Способы организации воздушного охлаждения:

а – естественное воздушное охлаждение; б – естественная вентиляция;

с – принудительная вентиляция

 

Принудительная вентиляция может быть вытяжной (рис. 6.45, с), приточной или приточно-вытяжной. Эти разновидности вентиляции различаются местом установки вентиляторов и их количеством.

Обычно в блоках с малой тепловой нагрузкой при естественном воздушном охлаждении или естественной вентиляции температура среды внутренних объемов не превышает окружающую более чем на 30 ⁰С. В более теплонагруженных блоках используют принудительную вентиляцию (см. рис. 6.45,с). При необходимости отбора тепла от особо тепловыделяющих элементов, микросборок, модулей может быть использовано циркуляционное жидкостное охлаждение (рис. 6.46). Мощность тепловыделения модулей с жидкостным охлаждением существенно зависит от скорости прокачки жидкости и повышается с ее увеличением.

 

Рис. 6.46. Жидкостное охлаждение модуля РЭС:

1 – модуль РЭС; 2 – слой теплопроводной пасты; 3 – корпус охладителя;

4 – каналы для прокачки жидкости

 

Еще большей эффективностью теплоотвода характеризуются жидкостно-испарительные системы охлаждения. В таких системах охлаждение осуществляется за счет циркуляции охлаждающей жидкости через радиаторы и рубашки, образованные в корпусах РЭС. Однако такие системы характеризуются большой сложностью и стоимостью.

Для охлаждения РЭС на печатных платах с использованием микросборок и микросхем в герметизируемых корпусах применяются кондуктивные теплостоки в виде теплопроводных шин (рис. 6.47).

 

 

Рис 6.47. Герметичный корпус РЭС с кондуктивными теплостоками:

1 – корпус; 2 – печатная плата; 3 – микросборки; 4 – шины теплостоков;

5 – тепловые разъемы

 

Для повышения эффективности теплоотвода корпус 1 выполняют оребренным. Кондуктивные теплостоки выполняют из алюминиевых шин 4, оптимальная толщина которых 0,5 мм. Применение кондуктивных теплостоков при естественном воздушном охлаждении позволяет снизить перегрев элементов в 2–3 раза.

В качестве теплостоков при малой мощности тепловых потерь может быть использована и медная фольга печатных плат. Для уменьшения теплового сопротивления корпуса микросхем и микросборок приклеивают к теплостокам. Дальнейшая передача тепла от теплостоков к корпусу может осуществляться через тепловые разъемы 5. В зарубежных и отечественных разработках применяются в основном конструкции тепловых разъемов с клиновыми зажимами, позволяющими достаточно просто производить смену ячеек (рис. 6.48).

Теплосток

Печатная плата

Рис. 6.48. Тепловой разъем с клиновым зажимом

 

При выполнении модулей первого и нулевого уровней на бескорпусной элементной базе их герметизация может быть выполнена заливкой теплопроводным компаундом. В качестве таких компаундов рекомендованы компаунды марок К-5, ТФК-5, КТЭ-2, КТЭ-4.

Для охлаждения отдельных теплонагруженных элементов РЭС (микросхем, транзисторов, диодов и т.д.) наиболее простой и достаточно эффективный способ – использование радиаторов. Для систем воздушного охлаждения наиболее распространение получили следующие разновидности радиаторов: пластинчатые, ребристые, игольчато-штыревые и др. (рис. 6.49).

а б

Рис. 6.49. Конструктивные разновидности радиаторов:

а – пластинчатые; б – ребристые.

 

6.3.3. Тепловые трубки и термоэлектрические охладители

Для охлаждения отдельных теплонагруженных элементов РЭС могут использоваться и так называемые тепловые трубки, характеризующиеся простотой конструкции (рис. 6.50).

Рис. 6.50. Тепловая трубка

 

Они имеют герметичный вакуумированый объем. Внутренняя поверхность трубки покрыта слоем капиллярно-пористого материала. Часть внутреннего объема заполнена насыщенным паром рабочей жидкости (ацетон, спирт и др.).

Теплопередача в тепловой трубке происходит за счет поглощения тепла в результате парообразования в нагревающейся части трубки. Нагретый пар конденсируется в охлаждаемой части трубки и отдает тепло стенкам. Пополнение рабочей жидкости в испарительной части трубки происходит за счет постоянного конденсата и передачи рабочей жидкости капиллярно-пористым материалам из охлаждающейся части трубки к нагреваемой.

Для увеличения теплоотводящей способности таких трубок используется оребрение охлаждаемой части трубки.

В особых случаях могут быть использованы термоэлектрические охладители на основе эффекта Пелетье. Суть эффекта состоит в том, что при прохождении постоянного тока в цепи с двумя различными материалами на одном контактном спае тепло поглощается, а на другом – выделяется. Их достоинства – длительный срок службы, бесшумность работы, обратимость процесса охлаждения при изменении полярности источника питания, а недостатки – большие масса и габаритные размеры, необходим источник питания.

 

6.3.4. Оценочный выбор способов охлаждения РЭС

 

Блоки РЭС второго или третьего уровня представляют собой сложную систему элементов с множеством внутренних источников теплоты. Точное аналитическое описание таких объектов невозможно из-за громоздкости задачи и неточности исходных данных: мощности тепловых источников, теплофизических свойств материалов, их сложной геометрии и т.д. В связи с этими обстоятельствами на практике используются:

1) ориентировочный выбор способа охлаждения на ранней стадии проектирования РЭС;

2) приближенные методы анализа и расчета теплового режима модуля РЭС.

Выбор способа охлаждения РЭС на ранней стадии проектирования целесообразно выполнить с помощью специальных графиков, характеризующих области целесообразного применения различных способов охлаждения (рис. 6.51).

g, Вт/см2

Рис. 6.51. Способы конвективного охлаждения в зависимости

от плотности теплового потока (g) и перегрева (ΔT)

 

Различают два типа областей (см. рис. 6.51):

1. Области, в которых можно рекомендовать применение определенного способа охлаждения.

2. Области, в которых можно применять (по выбору) два или даже три способа охлаждения.

Области первого типа не заштрихованы и относятся к следующим способам охлаждения: 1 – естественное воздушное; 3– принудительное воздушное; 5 – принудительное жидкостное; 9 – принудительное испарительное.

Области второго типа заштрихованы: 2 – естественное и принудительное воздушное; 4 – принудительно воздушное и жидкостное; 6 – принудительное жидкостное и естественное испарительное; 7 – принудительное жидкостное, принудительное и естественное испарительное; 8 – естественное и принудительное испарительное.

Основным показателем, определяющим область целесообразного применения способа охлаждения, принимается значение плотности теплового потока, проходящего через поверхность теплообмена:

, (6.1)

где P – суммарная мощность, рассеиваемая РЭС с поверхности теплообмена;

S_n – поверхность теплообмена РЭС.

Для блока прямоугольной формы

(6.2)

где К_з – коэффициент заполнения объема блока РЭС.

(6.2)

где – объем i – го компонента РЭС;

n – число компонентов;

V – общий объем РЭС;

L₁,L₂,L₃ –размеры сторон корпуса РЭС.

Вторым показателем является минимально допустимый перегрев компонентов в блоке РЭС:

ΔT_c = T_min - T_c,(6.3)

где T_min – допустимая температура поверхности наименее теплостойкого элемента;

T_c – температура окружающей среды.

Для естественного охлаждения T_c= T_{c max}, т.е. соответствует максимальной температуре окружающей среды. Для принудительного охлаждения T_c= T_вх , т.е. соответствует температуре охлаждающего воздуха (или жидкости), используемого в системе охлаждения РЭС.

⇐ Предыдущая10111213141516171819Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: