Теплові і механічні характеристики електронних засобів

[ виправити ] текст може містити помилки, будь ласка перевіряйте перш ніж використовувати.

скачати

ТЕПЛОВІ і механічні ХАРАКТЕРИСТИКИ ЕЛЕКТРОННИХ ЗАСОБІВ

План

1 Тепловий режим блоків МЕА

2 Розрахунок теплових режимів МЕА

3 Механічні впливу на МЕА

4 Захист блоків МЕА від механічних впливів

1 Тепловий режим блоків МЕА

Під тепловим режимом радіоелектронного блоку розуміють просторі-часі розподіл температури в ньому. Тепловий режим залежить від кількості розсіюваною потужності в блоці і вважається нормальним, якщо температури всіх елементів конструкцій блоку в заданих умовах експлуатації не перевищує гранично-допустимих за ТУ.

Відомо, що, як правило, більша частина всієї споживаної радіоапаратів потужності розсіюється у вигляді тепла в ньому, що може створити небезпечні перегріви термочутливих елементів (безкорпусних транзисторів, діодних матриць, феритових сердечників і т.п).

Передача теплової енергії, що розсіюється в блоці, осушествляется відомими трьома способами: конвекцією, випромінюванням і теплопровідністю. Причому для апаратури, що працює в умовах космосу, основними видами передачі тепла є теплопровідність і випромінювання. Теплопередача здійснюється від ІВ до їх підстав (рамкам, друкованим платам), від них тепло передається корпусу і далі в навколишній простір.

Передача тепла за допомогою конвекції підкоряється законам Ньютона:

Р1 = a к * S * J

де Р1-кількість тепла, що переносяться газом або рідиною в одиницю часу від однієї поверхні блоку до іншої або в навколишнє середовище, Вт;

a к-коефіцієнт конвекції, Вт/м2 0С;

S-площа поверхні тепловіддачі, м2;

J - величина перегріву поверхонь відносно один одного або щодо навколишнього середовища, 0С.

Конвекція буває природною і примусовою. В умовах природної конвекції відбувається передача тепла від корпусу блоку в навколишнє середовище. Для цього випадку величина a к може досягати близько 4 Вт/м2 0С. Проте у ряді випадків такий вид передачі не задовольняє вимогам нормального теплового режиму блоку, і тоді застосовують примусове повітряне охолодження за рахунок обдування корпусу спеціальними повітродувками. Це різко змінює режим тепловіддачі і збільшує коефіцієнт конвекції в кілька десятків разів. Слід мати на увазі, що застосування повітродувок є доцільним лише при наявності нормальної або близької до неї щільності повітря. В умовах же розрядженого простору їх застосування марно. У зв'язку з цим рекомендується застосування систем рідинного охолодження, ефективність якого в порівнянні з повітряним зростає в 2-4 рази. У залежності від способу перенесення тепла рідиною розрізняють власне рідинні системи охолодження і системи, що використовують принцип переносу тепла за рахунок випаровування і конденсації рідини. Один з варіантів першого способу являє собою металеві напаяних трубки, розташовані в основі блока або між осередками, в які протікає охолоджуюча рідина (етиловий або метиловий спирт, вода). Система охолодження, побудована на принципі випаровування рідини фреону, являє собою «теплову трубу», один торець якої контактує з «гарячим» блоком, а інший виводиться за блок і охолоджується. У гарячого торця рідина випаровується і під тиском і компресора надходить до холодного торця, де конденсується. Далі по капілярах «теплової труби» вона знову повертається до гарячого торця, тобто система має замкнутий цикл.

Застосування систем примусового охолодження може збільшити коефіцієнт конвекції на кілька порядків, проте це викликає значне збільшення ваги та обсягу МЕА, тому в кожному конкретному випадку необхідно виявити можливості їх застосування.

У принципі збільшення тепловіддачі конвекцією може бути досягнуто шляхом збільшення поверхні блоку МЕА або збільшенням температурного перегріву. Однак перше суперечить ідеї мікромінітюарізаціі, а друге обмежено температурою навколишнього середовища.

У цілому можливості підвищення тепловідведення конвекцією у МЕА істотно обмежені.

Кількість тепла відведеного від блоку за допомогою випромінювання (лучеиспускания), може бути розрахована за формулою:

P2 = a к * S * J

де P2-кількість тепла стерпного електромагнітними хвилями в одиницю часу, від однієї поверхні до іншої або в навколишнє середовище, Вт;

S-поверхня тепловіддачі, м2;

J - температурний перегрів 0С;

a к-коефіцієнт лучеиспускания, Вт/м2 0С;

Коефіцієнт лучеиспускания визначається як:

α к = Ε пр * φ * ƒ (t1, t2),

де Eпр-наведена ступінь чорноти поверхні (прийнята в МЕА рівною 0,8);

φ - коефіцієнт опромінення (що дорівнює 1);

ƒ (t1, t2) - значення функції, що визначається за таблицею в залежності від температур ізотермічних поверхонь тіл або середовища;

Передача тепла за допомогою теплопровідності (кондукція) підпорядкована узагальненому закону Фур'є:

P3 = λ Ѕ1 J / ℓ,

де P3 - кількість тепла, переданого кондукція в одиницю часу від однієї ізотермічної поверхні сполучених тіл до іншої, Вт;

λ - коефіцієнт теплопровідності тіла, що визначається за таблицями фізичних констант матеріалу, Вт / м 0С;

* S * V-довжина шляху теплового потоку, м;

S1-площа поперечного перерізу теплового потоку, м2.

Особливості теплових режимів блоків МЕА полягають в наступному:

в блоках МЕА допустима більш висока питома потужність розсіювання ніж в блоках РЕА перших "поколінь",

основним видом передачі тепла всередині блоків МЕА є теплопровідність.

Найбільш критичними до локальних перегрівів в блоках МЕА є безкорпусні напівпровідникові прилади (транзистори, діоди, ІС1).

Перша особливість обумовлена ​​зменшенням лінійних розміром блоків. Припустимо, що блок РЕА має умовну форму куба зі стороною L. Тоді, обсяг його дорівнює L3, а площа тепловіддачі 6L3. Величина розсіюваною потужності виразиться як:

P = k * S * J,

де k - сумарний коефіцієнт теплопередачі блоку за рахунок конвекції і випромінювання в зовнішнє середовище, S = 6L2.

З іншого боку, ця ж потужність може бути представлена, як

P = pуд * V,

де Руд - питома потужність розсіювання в блоці, V = L3.

Вирішуючи ці два вирази спільно, можна визначити, що Руд = 6k * V / L. Звідки видно, що зі зменшенням габаритів блоку, його питома потужність зростає. З цієї причини для МЕА допускаються значення питомої потужності порядку 15 ... 20 Вт/дм3 замість 3 ... 5 Вт/дм3 для блоків РЕА на дискретних елементах.

Друга особливість визначається тим фактором, що блоки МЕА мають високий коефіцієнт заповнення обсягу і дуже малі внутрішні газові канали передачі тепла. Оскільки матеріали конструкції (алюмінієві, магнієві сплави, ситалл, поликор і т. п.) мають високу або середню теплопровідність і вельми низьке значення щодо ступеня чорноти (порядку сотих-десятих часток одиниці), то можливості передачі тепла за допомогою кондукція набагато значніше, ніж за допомогою випромінювання.

Третя особливість випливає з того факту, що пасивні елементи ГІС, виконані в тонкоплівкових варіанті, досить термостійкі і стабільні (ТК ≈ 3 * 10-4), а активні безкорпусні елементи практично не захищені від перегрівів. Крім цього, вони додатково в силу необхідності розділені від тепловідводної підкладки шаром клею, що має низьку теплопровідність (0,2 Вт / м 0С)

У зв'язку з викладеним рекомендують при розробці МЕА вибирати обсяг окремих її блоків не більше 0,5 ... 0,6 дм3, а в разі перегрівів, що перевищують допустимі, робити ребра корпусів при зовнішньому охолодженні.

Найбільшою теплопровідністю, як відомо, мають метали, малої - тверді діелектрики і зовсім незначні - гази. Передача тепла теплопровідністю металів є основним видом тепловіддачі в МЕА. Крім цього, при компонуванні блоків та осередків джерела тепла (безкорпусні ІС, транзистори і інші радіоелементи) розташовують на металевих рамках, а тепловідвід від останніх здійснюють до основи або кришці корпусу за допомогою стяжних болтів. Для збільшення тепловіддачі застосовують матеріали з коефіцієнтом теплопровідності порядку 100 ... 200Вт / м 0С (алюмінієві сплави, латунь тощо). Одним із способів підвищення кондуктивної тепловіддачі є метод термоелектричного охолодження, заснованого на ефекті Пельтье. Конструктивно це здійснюється підбором стовпчиків термоелементів між нагрітими осередками і корпусом блоку. Іншим способом захисту безкорпусних мікросхем від місцевих перегрівів є організація спрямованої тепловідведення від "гарячого" субблока на основу. У цьому випадку нагріте субблок, наприклад трансформаторний субблок харчування, може бути укріплений дном на бобишках підстави і ізольований діелектриком по остольние 5 сторонам.

При компонуванні блоків МЕА з метою забезпечення нормального теплового режиму існують деякі загальні рекомендації, а саме:

-Більш нагріті осередку і субблоки слід монтувати ближче до основи-теплоотводу блоку,

-Для зменшення локальних перегрівів окремі термочутливі вузли необхідно виносити на корпус або в ніші блоку, а більш потужні ІС і транзистори слід розташовувати по периферії осередку, ближче до рамки,

-Блоки харчування бажано розбивати на кілька окремих субблоеков (трансформаторних, стабілізаторних і т. п.) для збільшення сумарної поверхні тепловіддачі,

-За наявності зовнішнього обдування доцільно оребрненіе корпусів, причому ребра повинні розташовуватися вздовж потоку повітря.

2. Розрахунок теплових режимів МЕА

Розрахунок базується на відомому методі електротеплової аналогії, який полягає в тому, що перенесення теплової енергії в конструкціях розглядається аналогічно переносу електроенергії в електричних схемах. При передачі тепла аналогом сили струму є теплова потужність, аналогом різниці напрузі - різниця температур (перегрів) і аналогом електропровідності - теплова провідність елементів конструкції (б). При цьому можливе складання теплових схем конструкції та їх розрахунок відповідно до основних правил і законів електротехніки (законам Ома, Кірхгофа, методу суперпозиції і т. п.). Закон Ома для теплових схем записується в следуєщие формі:

Р = б * J,

Величини, зворотні провідності, називаються тепловими опорами.

Тепловий розрахунок блоку МЕА полягає у визначенні температури ti будь-якої i-ої частини конструкції (корпусу, осередки, мікросхеми, р-п переходу транзистора, діода і т. п.) в залежності від заданої потужності джерел тепла всередині блоку Р, часу τ і певної температури навколишнього середовища TС. У загальному випадку необхідно визначити

ti - tc = ƒ 1 (P, τ).

Ця залежність називається тепловою характеристикою елемента конструкції. Оскільки найбільш жорстким є сталий (стаціонарний) тепловий режим блоку, коли місцеві перегріви досягають максимальних значень, і оскільки в блоці можливе застосування примусових систем охолодження, що відводять потужність Q, то теплова характеристика перетвориться до виду:

ti - tc = ƒ 2 (P, Q).

При цьому вважається, що габарити і об'єм блока V відомі. Розрахувавши теплову характеристику конструкції при заданих V і tc і відомих видах теплопередачі, можна варіюючи обсягом отримати їх сімейство і отримані залежності перебудувати в залежності виду (Р, Q) = ƒ 3 (V), що мають практичний інтерес при конструюванні. На рис.1 наведено орієнтовні залежності допустимої потужності розсіювання блоку МЕА при tс = 20 ... 60 0С і перегріві корпусу щодо середовища 20 0С від об'єму корпусу і умов теплопередачі. Корпус блоку прийнятий металевим з алюмінієвих сплавів без оребрення. Крива 1 відповідає випадку випромінювання та природної конвекції, крива 2 - випромінювання і примусової конвекції повітря навколо корпусу (В = 0,1 м / с), крива 3 - тільки випромінювання.

Рис.1. Залежність допустимої потужності розсіювання блоку МЕА від об'єму корпусу і умов теплопередачі.

Розрахунок за допомогою теплових характеристик полягає в тому, що спочатку задаються перегрівом розглянутої поверхні на 10-15 0С вище температури навколишнього середовища і визначають можливий тепловий потік, який здатна вона передати в середу при заданих габаритах і формах. При цьому визначається одна точка теплової характеристики. Далі приймають перегрів поверхні, рівним ще на 10-15 0С вище першого, і аналогічно визначають другу точку графіка. Третьою точкою є початок координат. Використовуючи властивість лінійності теплових характеристик, по трьох точках її будують повністю.

При розрахунку теплових режимів МЕА можна обмежитися двома варіантами. Перший варіант розрахунку, характерний для металевих осередків, заснований на використанні в тепловій моделі конструкції способу розрахунку температур ізотермічних поверхонь. Він включає наступні основні етапи:

-Розрахунок середньоповерхнева температури корпусу,

-Складання теплової схеми блоку,

-Визначення теплових провідностей окремих ділянок між ізотермами,

-Визначення температур ізотермічних поверхонь всередині блоку і порівняння їх з максимально допустимими.

При цьому методі розрахунку теплова схема блоку включає теплові провідності, обумовлене конвекцією, випромінюванням і теплопровідністю, а сам розрахунок проводиться згідно із законами Ома, Кірхгофа за методом теплових характеристик.

Другий варіант розрахунку, характерний для неметалічних осередків на друкованих платах, заснований на використанні методу однорідного тіла, який має на увазі подання системи тіл, що включає кілька неоднорідних тіл, у вигляді монолітного теплового тіла з постійними теплофізичними параметрами. Основними етапами розрахунку є:

- Визначення середньоповерхнева температури корпусу блоку і середньоповерхнева температури нагрітої зони,

виділення в координатних осях x, y, z елементарної типової комірки і складання для неї теплової схеми в еквівалентних теплопровідністю за тим же осях,

вираз геометричних параметрів нагрітої зони по осях x, y, z,

визначення температури i-го елемента в нагрітій зоні і порівняння отриманих даних з гранично допустимими.

Особливістю даного способу є подання пакету осередків у вигляді монолітного (без повітряних зазорів) однорідного анізотропного тіла з різними теплопровідністю за координатним осям. Сам розрахунок у даному випадку Првод шляхом вирішення диференціальних рівнянь теплопровідності за законом Фур'є.

3. Механічні на МЕА

МЕА повинна бути механічно міцною і стійкою. При забезпеченні механічної міцності необхідно, щоб механічні дії не залишали необоротних змін. При виконанні вимоги механічної стійкості необхідно, щоб механічні дії не чинили впливу на електричні характеристики апаратури.

У процесі експлуатації ЕС в мікроелектронному виконанні, хоча і в меншій мірі, але все ж відчуває вібраційні та ударні механічні навантаження.

Параметрами вібрації є амплітуда (А, мм), частота (f, Гц), прискорення, яке виражається в одиницях прискорення вільного падіння (g). Ударний вплив найчастіше характеризується величиною прискорення. Ударні навантаження менш небезпечні (при рівних g), ніж вібрації. Наприклад, для МЕА літальних апаратів характерні наступні параметри механічних впливів, представлені в таблиці 1.

Вплив вібрацій зводиться до того, що при збігу частоти збурень сили і частоти власного резонансу конструкції МЕА виникає явище механічного резонансу, при якому зусилля зростають настільки, що можуть призвести до механічних руйнувань вироби.

Удари і прискорення найбільш небезпечні для крихких напружених деталей особливо з кераміки, скла та феритів. При ударах можливе руйнування деталей і вузлів у місцях кріплення.

Основним заходом захисту конструкції МЕА від вібрації, ударів і прискорень є застосування амортизаторів - демпферів.

На підставі вищевикладеного для забезпечення надійної роботи МЕА необхідне проведення відповідних інженерних розрахунків за визначенням теплових режимів і очікуваних механічних навантажень, виходячи з умов встановлення МЕА на об'єкти і умов експлуатації. На підставі цих розрахунків приймаються спеціальні заходи щодо забезпечення тепловідводу і застосування амортизаторів і демпферів. Вплив очікуваних рівнів радіації усувається відповідним захистом конструкції апарату.

4 Захист блоків МЕА від механічних впливів

При експлуатації і транспортування на МЕА, діють вібрації, удари і лінійні прискорення. Так, наприклад, вібрації характеризується перевантаженнями, що досягають 30g в діапазоні частот від 30 до 5000 Гц, а лінійні прискорення й удари - перевантаженнями до 50g. Дія цих факторів може призвести до поломки висновків, підкладок мікросхем, виникненню в них втомних напруг, руйнування контактів і герметизації блоків.

Особливістю МЕА в порівнянні зі звичайною РЕА є її підвищена вібростійкість, вібро-та ударостійкість. Пояснюється це наступним. По-перше, оскільки частоти власних коливань радіоелектронного апарату, які визначаються виразом ƒ 0i = 1 / 2 π * √ ki / mi, де ki, mi - відповідно жорсткість кріплення і маси i-их елементів конструкції, при помітному зменшенні мас і збільшенні жорсткості кріплення елементів МЕА значно зростає, то це призводить до зменшення числа небезпечних низькочастотних резонансів. Небезпека низькочастотного резонансу в РЕА проявляється в різкому збільшенні амплітуди коливань тіл при вимушеної вібрації, яка визначається виразом А = 250n / ƒ 2, мм, де n - величина перевантаження, ƒ - частота вібрації, Гц. По-друге, для МЕА та її елементів при лінійних прискореннях і ударах, значно зменшуються руйнують сили Fi = n * mi * g, оскільки маси елементів конструкції знову-таки мають малі величини.

Ступінь захисту МЕА від механічних впливів багато в чому залежить від міцності ГІС і методів їх кріплення в металевих рамках осередків.

Міцність ГІС від впливу ударів і вібрацій, в основному визначається міцністю висновків навісних активних безкорпусних елементів і перемичок. На підкладці типової ГІС встановлюється звичайно кілька десятків безкорпусних напівпровідникових приладів і перемичок. Кожен напівпровідниковий прилад має по кілька висновків. Вибропрочность висновків визначається їх довжиною і консольно. Припустимими вважається розміри перемичок і висновків по довжині L ≤ 100d і консольного c ≤ 10d, де d-діаметр провідника, зазвичай дорівнює 0,05 мм. Висновки і перемички не повинні мати перегинів, а розварювання їх на підкладці повинна здійснюватися без натягу. При цьому допускаються нормальні напруження зусиль на розрив не повинні перевищувати при вібраціях 2кг/мм2, при лінійних прискореннях 4,3 кг/мм2 і ударах 7,2 кг/мм2.

Встановлено, що ДВС, що володіють запасом віброміцності, свідомо міцні до впливів ударів і лінійних прискорень. При вібраціях на низьких частотах найбільш небезпечні для ГІС амплітуди згинальних коливань, що призводять до відриву висновків, а на верхніх частотах - віброшвидкості коливань, що створюють втомні напруги в елементах ГІС. Прийнято наступні обмеження по амплітуді згинальних коливань підкладок ГІС та допустимі віброшвидкості відповідно А ≤ 0,3 мм і J ≤ 800 мм / с.

Розрахунок віброчності осередки, як несучої конструкції ГІС, зводиться до визначення власної частоти осередку, порівняно її зі значеннями частот, визначених з умов допустимої амплітуди і віброшвидкості в заданому в діапазоні частот зовнішніх вібрацій до вибору того або іншого типу кріплення ГІС в осередки по заданих величин. Тип кріплення ГІС в осередки визначає її коефіцієнт динамічності β. Коефіцієнт динамічності показує, в яке число раз конструкція осередку підсилює зовнішні коливання. Чим менше коефіцієнт динамічності, тим слабше небажані резонансні властивості клітинки.

Розрахунок власної частоти осередку може бути проведено приблизно за формулою:

ƒ 0 ≈ (1 / 2 π) * (1 + a2/b2) / a2) * √ k / m,

де а та в - довжина і ширина осередку,

k-жорсткість осередку, відповідна жорсткості плати рамки,

m - приведена погонна маса осередки.

Допустимі значення власної частоти осередку з умов максимально можливих амплітуди і віброшвидкості можуть бути знайдені з наступних співвідношень:

ƒ 01 = 1 / 2 π * √ β * n * g / A,

ƒ 02 = 1 / 2 π * β * n * g / J.

де n - величина перевантаження при вібраціях,

g - прискорення сили тяжіння м/с2.

Визначення ефективності віброміцності того чи іншого типу комірки при заданих параметрах зовнішніх вібрацій зручно проводити за номограми. Номограма являє собою ряд графіків, побудованих у координатах «величина перевантаження - частота». Ламані лінії, що утворюють сімейство графіків для різних коефіцієнтів динамічності осередків, отримані розрахунковим шляхом за формулами вище з умов допустимих значень амплітуди А ≤ 0,3 мм, і віброшвидкості J ≤ 800 мм / с. Причому ліві частини кривих відповідають першій умові, а праві (більш пологих) - другому. У точці зламу виконуються обидві умови разом. Таким чином, область, обмежена кривою графіка зверху є областю нормального забезпечення вібропрочості. Ступенева крива відображає задані параметри зовнішніх вібрацій (величини перевантажень у певних діапазонах частот). Після визначення власної частоти осередку необхідно з розрахункової точки відновити перпендикуляр і порівняти рівень перевантажень на цій частоті для зовнішніх вібрацій (ступінчаста крива) і допустимий рівень перевантажень осередків (ламана крива з обраним β). Якщо перший рівень вище другого, то з сімейства ламаних кривих треба вибрати такий, де його умова буде порушена, тобто прийняти тип комірки з меншим β, який забезпечить необхідну вибропрочность.

У висновку зупинимося на деяких питаннях застосування амортизаторів в МЕА. У зв'язку з малою масою блоків МЕА прогин амортизаторів Z0, мм під дією сили тяжіння блоку стає вельми незначним, це призводить до збільшення власної частоти системи амортизуються тел

ƒ 0A = 15,8 / √ Z0, Гц

і різкого зменшення частот вимушених і власних коливань ƒ / ƒ 0A. Остання значно погіршує ефективність амортизації (зазвичай вибирають ƒ 0A в 10 разів менше ƒ, при цьому ефективність складає 99,9%). З цієї причини застосування амортизаторів в МЕА, як правило, недоцільно. При існуючій тенденції зменшення габаритів і ваги блоків одночасно мають виконуватися вимоги щодо зменшення цих показників амортизаторів. Однак прагнення виконувати ці вимоги призводить до низької ефективності амортизаторів через нездатність знизити ударні перевантаження при їх тривалості понад 0.015 сек і наявності резонансних частот амортизаторів в робочому діапазоні вібрацій МЕА. Тому треба визнати, що найбільш ефективним засобом захисту блоки МЕА та їх компонентів від механічних впливів в даний час є демпфування мікросхем в осередках за допомогою в'язко - пружного компаунда типу КТ-102, що виконує одночасно функції клею. Оптимальна товщина клейового з'єднання становить 0,1 ... 0,3 мм. Ступінь демпфування пропорційна площі склеювання, яка може бути збільшена також за рахунок багатошарового склеювання.

Кріплення блоків і пристроїв МЕА на об'єкті повинно бути жорстким, на коротких і товстих болтах або за допомогою скоб. Однак у тих випадках, коли маса блоку МЕА порівнянна з масою блоків звичайних РЕА, можливе застосування демпфірованним амортизаторів типів АПК, ДК-А і тросових амортизаторів.

Додати в блог або на сайт

Цей текст може містити помилки.

Комунікації, зв'язок, цифрові прилади і радіоелектроніка | Реферат
59.4кб. | скачати


Схожі роботи:
Уніфікація конструкцій електронних засобів
Структура і класифікація електронних засобів
Радіаційна стійкість електронних засобів
Види електронних платіжних засобів
Художні питання конструювання електронних засобів
Фактори що визначають побудову електронних засобів
Класифікація та характеристика електронних засобів навчання
Метрологічне забезпечення випробувань електронних засобів
Використання електронних засобів навчання на уроках технології
© Усі права захищені
написати до нас