Тепловой режим РЭА

 

 

Таблица 1.1 - Эффективность  различных видов охлаждения

Вид охлаждения	Коэффициент теплообмена, Вт/(м2*град)
Естественная конвекция и излучение	2-10
Вынужденная конвекция в воздухе и газах	10-100
Естественная конвекция в масле и других жидкостях той же плотности	200-300
Вынужденная конвекция в масле и других жидкостях той же плотности	300-1000
Естественная конвекция в воде	200-600
Вынужденная конвекция в воде	1000-3000
Кипение воды	500-45000
Капельная конденсация водяных  паров	40000-120000
Конденсация органических паров	500-2000

 

Заметим, что электронный  аппарат представляет собой сложное  устройство, в котором механизм переноса тепла через различные части конструкции неодинаков. В связи с этим и коэффициенты теплообмена могут иметь разные значения.

Однако для суждения о  тепловом режиме РЭА и эффективности  выбранного способа охлаждения знания только коэффициентов теплообмена недостаточно. Необходимо провести, кроме того, анализ переноса тепла в РЭА и выбрать иные критерии эффективности способов охлаждения, которые будут рассмотрены в дальнейшем.

 

1.1.5 Методы теплового моделирования.

Цель исследования теплового  режима РЭА состоит в определении температурного поля аппарата с учетом влияния различных конструктивных и физических параметров. При исследовании тепловых режимов РЭА следует придерживаться определенной последовательности. Исследование начинается с выявления признаков, определяющих класс изучаемого аппарата. Следующим этапом исследования является определение тепловой модели рассматриваемого класса аппаратов.

Как отмечалось выше, РЭА  можно рассматривать, как систему  многих тел с сосредоточенными источниками  тепловой энергии. Анализ температурных полей таких систем является весьма сложной задачей, решение которой выполняется приближенными методами. Исследователь пытается установить количественную зависимость между температурой ограниченного числа наиболее ответственных мест аппарата и существенными факторами, влияющими на процесс теплообмена. При экспериментальном решении задачи эта работа может проводиться непосредственно на радиоэлектронном аппарате. Аналитическое решение исключает такой подход, так как тепловые процессы в реальной конструкции аппарата, как правило, не поддаются математическому описанию из-за наличия большого числа основных и второстепенных факторов, влияющих на процесс. Поэтому необходим переход к тепловой модели РЭА.

Существует два основных метода теплового моделирования: метод  изотермических поверхностей и метод однородного тела.

 

1.1.5.1 Метод однородного  тела

Данный метод подразумевает  расчленение всего блока на условно  изотермические участки. Например, условно изотермическими поверхностями в одноблочном аппарате с кожухом можно считать поверхность кожуха с определенной средней температурой и поверхность нагретой зоны внутри аппарата, заключающей поверхности элементов и части шасси, имеющей тоже некоторую среднюю температуру. На рисунке 1.2а показано распределение температур внутри одноблочного аппарата (в одном сечении), на рисунке 1.2б - его тепловая модель с двумя изотермическими поверхностями (кожуха и нагретой зоны). Примеры построения тепловой модели блока кассетной конструкции даны на рисунке 1.2в, г. На рисунке 1.2г каждая плата с деталями представляется в виде пластины с равномерно распределенным источником тепла мощностью w_і и равномерным полем температуры t_і.

В этом случае информация о  тепловом режиме становится более полной: тепловая модель дает возможность определить не только среднюю температуру внешней поверхности нагретой зоны в корпусе, но и средние значения температур каждой платы.

Для еще большего расширения информационных возможностей тепловой модели можно произвести более подробную разбивку нагретых зон, отражающую изменение мощности источников энергии по высоте платы или неодинаковые условия теплообмена отдельных частей плат (рисунок 1.2д).

Процессы переноса тепла  в тепловых моделях, построенных  по методу изотермических поверхностей, рассматриваются так, как если бы они протекали между изотермическими поверхностями.

 

Рис 1.2 – Тепловые модели блока

а – распределение температур внутри блока; б – изотермическая модель блока;

в – блок кассетной конструкции; г – представление кассет в виде изотермических пластин;

д – разбиение изотермических пластин на зоны; е – модель однородного тела

 

1.1.5.2 Метод однородного  тела

Данный же метод подразумевает  представление системы тел, включающей несколько неоднородных тел, в виде условно монолитного теплового тела с постоянными теплофизическими параметрами и непрерывным полем температур (рисунок 1.2.е). Свойства этого тела характеризуются эффективными значениями коэффициентов теплопроводности λ и теплоемкости С. Такой метод моделирования применим к ЭС, содержащим большое число одинаковых в конструктивном отношении функциональных узлов (моделей, микромодулей, микросхем и т.п.), повторяющихся во всех трех измерениях.

При этом считают, что как  геометрические, так и теплофизические  свойства системы периодически повторяются, т.е. система обладает дальним порядком. В такой системе существует возможность выделить наименьший  объем,  называемый  элементарной  тепловой  ячейкой (например модуль, микромодуль, микросхему), многократное повторение которого воспроизводит исходную систему. Определение эффективных коэффициентов теплопроводности по трем направлениям для нагретой зоны радиоаппарата сводится к определению аналогичных величин для элементарной ячейки и распространению их на всю систему. Дальнейший тепловой расчет основан на решении краевых задач для уравнения теплопроводности в области, соответствующей эквивалентному однородному телу.

Информационные возможности  тепловой модели ЭС, полученной по методу однородного тела, весьма велики, т.е. ее исследование позволяет получать аналитическое выражение для температур нагретой зоны.

 

1.1.6 Математическая модель  теплового режима блока и оценка  её точности

Основное требование к  математической модели теплового режима ЭС - адекватность изучаемому явлению  и реализуемость. Для этого условия  перехода от тепловой модели к математической должны быть четко сформулированы и обоснованы.

В большинстве случаев  математическая модель теплового режима ЭС представляется в виде уравнений, описывающих температурное поле модели. Решение этой системы может  быть получено аналоговыми методами, численными методами или аналитически. Выбор метода решения требует в каждом случае обоснования.

При аналоговом или численном  решении задачи производится последовательное изучение различных частных реализаций математической модели, отличающихся численными значениями исходных параметров. Для обобщения результатов исследования частных случаев и предоставления их в компактной графической или аналитической форме требуется применение определенных, иногда сложных, приемов.

При аналитическом решении  задач окончательное выражение, определяющее температурное поле тепловой модели, получается в общем виде и содержит гораздо большую информацию об изучающем явлении, чем численные данные для конкретного частного случая.

Допущения, принятые при  переходе от реального ЭС к тепловой модели и неизбежные упрощения при  построении и решении математической модели, вносят в решение задачи о тепловом поле погрешности. Поэтому, как правило, полученное решение требует экспериментальной проверки. Этот этап исследования может быть выполнен на определенном количестве реальных объектов либо специально изготовленных тепловых макетов. В ряде точек ЭС или их тепловых макетов производится измерение температуры в различных режимах работы. Одновременно в этих же точках по математической, тепловой модели находят расчетные значения температур и определяют относительное расхождение δ_ј(%) между результатами расчета и опыта, которые для удобства представляют в виде гистограммы распределения.

Если среднеквадратическое или предельное значение δ оказывается  допустимым для технических целей, то основную часть исследования можно считать законченной. Если же указанные значения неприемлемо велики или гистограмма оказалась несимметричной относительно оси ординат, что свидетельствует о систематических расхождениях результатов расчета и опыта, необходима корректировка тепловой или математической моделей ЭС.

 

1.2 Описание модели микроблока

1.2.1 Размеры и другие  параметры макета

Лабораторная установка  состоит из теплового макета микроэлектронного блока, электронного термометра и источников питания. Общий вид макета микроэлектронного блока приведен на рисунке 1.3. Блок выполнен на пяти функциональных ячейках, на каждой из которых размещено по двенадцать тепловых изделий в виде бескорпусных  гибридных интегральных микросхем, выполненных на подложках размером 24×20 мм из ситалла СТ-50. Тепловыделяющими элементами микросхемы являются установленные на подложке резисторы типа ТВО-0,5 - 200 Ом ± 20%. Крепление резисторов к подложке и микросхемы к теплоотводящей планке корпуса ячейки осуществляется эпоксидным клеем ЭД-5.

      Корпус  ячейки с габаритными размерами  154×91×6 мм изготовлен фрезерованием  из алюминиевого сплава Д16. Коммутационная  печатная плата функциональной ячейки выполнена из фольгированного стеклотекстолита СФ1-35 толщиной 1,5 мм и крепится к корпусу ячейки эпоксидным клеем ЭД-5. Печатные проводники обеспечивают параллельное электрическое соединение резисторов, установленных на одной подложке, и смешанное соединение микросхем, при котором суммарное входное сопротивление ячейки составляет 120 Ом, а суммарное входное сопротивление блока 24 Ом. Печатная плата и микросхемы покрыты лаком УР231.

Функциональные ячейки, входящие в состав микроблока, собираются в  пакет и стягиваются шестью латунными  винтами М4×40. Для исключения электрического контактирования печатных проводников и корпуса соседней ячейки, между ячейками поставлены стальные шайбы с размерами 4,3×9×0,8 мм. В результате собранный пакет функциональных ячеек имеет размеры 154×91×33,2 мм.

Крепление пакета к основанию  корпуса микроблока производится с  помощью скоб, изготовленных из листового материала Д16 толщиной 1,5 мм, соединенных с основанием заклепками. Стойки скобы имеют высоту 15 мм, длина горизонтальной площадки, контактирующей с основанием корпуса, составляет 34 мм. Ширина скобы – 12 мм.

Основание корпуса микроблока и кожух изготовлены из алюминиевого сплава Д16 толщиной 1,5 мм.  Внешние размеры основания 168×48×10 мм, кожуха 170×100×50 мм. Тепловое контактирование основания корпуса и кожуха, осуществляется по полосе соединения, имеющей размеры 10×2(48 + 168) мм².

Рисунок 1.3 – Общий вид микроэлектронного блока

 

На основании корпуса  микроблока смонтирован разъем РП-10-15, контакты которого монтажными проводниками соединены с контактными площадками печатных плат функциональных ячеек. Включение ячеек в электрической схеме микроблока - параллельное. Входное сопротивление блока  – 24 Ом.

В кожухе микроблока выполнены  отверстия, позволяющие произвести измерение температуры в интересующих точках теплового поля микроблока. Измерение производится с помощью  термометра входящего в состав стенда, имеющего в своем составе выносную термопару для измерения температуры в диапазоне от – 20 до 1370° С.

Для питания микроблока используется источник напряжения с выходной мощностью не менее 30 Вт, входящий в состав лабораторного стенда.

 

1.2.2 Тепловая модель микроблока

Тепловая модель разрабатывается  с учетом наиболее существенных конструктивных особенностей микроблока и следующих дополнений:

- температура кожуха микроблока  принимается одинаковой по всей  поверхности и равной его среднеповерхностной температуре;

- тепло с поверхности  блока рассеивается в окружающую  среду путем естественной конвекции  и излучением;

- вследствие малой величины  воздушных зазоров между кожухом  и нагретой зоной, а также между элементами нагретой зоны, передача тепла от нагретой зоны к кожуху осуществляется теплопроводимостью через воздушные зазоры и элементы конструкции и излучением;

- нагретая зона микроблока  преобразуется в эквивалентное  однородное анизотропное тело  с эффективными значениями коэффициентов  теплопроводности λ_х , λ_у,,  λ_z  в направлениях X, Y, Z.

При переходе от реальной нагретой зоны микроблока к однородному телу в качестве элементарной тепловой ячейки можно взять функциональную ячейку, поскольку периодическое повторение геометрических и теплофизических свойств нагретой зоны непосредственно связано с функциональной ячейкой.

Расчет значений λ_х,, λ_у и λ_z нагретой зоны производится с помощью тепловых схем функциональной ячейки микроблока, отражающих процесс передачи тепла по направлениям X, Y и  Z . Направление осей координат показано  на рисунке 1.4.

 

Рисунок 1.4 – Конструкция теплоотводящего основания ячейки

Тепловая схема функциональной ячейки по оси Х дана на рисунке 1.5а, где символами σ_пп, σ_воз, σ_р, σ_пл , σ_под, σ_кор соответственно обозначены тепловые проводимости печатной платы, воздушных промежутков, рамки функциональной ячейки, теплоотводящей пленки, ситалловой подложки и керамических корпусов резисторов марки ТВО. Учитывая, что теплопроводность стеклотекстолита (λ = 0,15 ÷ 0,13 Вт/м·К) и воздуха (λ = 0,025 Вт/м·К) значительно меньше теплопроводности используемых в конструкции микроблока (алюминиевых сплавов λ = 160 ÷  180 Вт/м·К), тепловая схема может быть упрощена и приведена в виде рисунка 1.5б.