Расчет радиаторов для ППП и ИС

Радиаторами называют теплоотводы с воздушным охлаждением для ППП и ИС. Они значительно снижают тепловое сопротивление корпус-среда и уменьшают перегревы ППП и ИС.

По конструкции различают пластинчатые, штырьковые, ребристые, петелько-проволочные, типа “краб”. Их выполняют в виде самостоятельной конструкции либо в виде несущей конструкции, которая работает как радиатора (боковые, задние стенки). Для изготовления радиаторов используют в основном алюминиевые сплавы, а также медь, магниевые и берилловые сплавы.

Относительную эффективность различных типов радиаторов при рассеивании мощности можно оценить по графикам перегрева

1-ЕК корпуса при отсутствии радиатора

2-ЕК с радиатором в виде пластины 60 60мм

3-ЕК с радиатором штырьковым 2 сторон 60 60 34

4-ПВ с радиатором 3 со скоростью воздуха 2м/с.

Исходными данными при проектировании или выборе радиатора являются:

- - предельная температура рабочей области прибора;

- - рассеиваемая прибором мощность;

- - температура окружающей среды;

- - внутренняя температура сопротивления прибора между рабочей областью и корпусом;

- - тепловое сопротивление контакта прибор-радиатор.

Методика расчета следующая:

1. Определяем перегрев места крепления прибора с радиатором

2. Определяем в первом приближении средний перегрев основания радиатора

3. Выбираем тип радиатора по графикам из условия теплообмена, предполагая известной удельную мощность рассеивания ; - площадь основания радиатора

4. Определяем коэффициент эффективной теплоотдачи радиатора из графиков по определенному ранее перегреву . В случае вынужденного охлаждения коэффициент выбирается по графикам с учетом скорости потока воздуха

5. Определяем площадь основания радиатора

6. Определяем средний перегрев основания радиатора во втором приближении

,

где p = ;

;

- коэффициент теплопроводности материала радиатора;

- толщина основания радиатора;

- площадь контактной поверхности ППП- радиатор;

7. Уточняем площадь основания радиатора

По ранее выбранному типу радиатора в таблицах ГОСТ выбираем № конкретного радиатора.

………………………………Шестаков……………………………………

Влияние теплового режима на эффективность и качество конструкции РЭС.

1) Общие сведения и влиянии теплового режима

Тепловой режим характеризуется совокупностью температур всех элементов из которых состоит РЭС. Т.е. температурным полем.

Основной тенденцией развития современных РЭС в микроэлектронике является увеличение их сложности и уменьшение габаритов и увеличение требований стабильности параметров. Эти тенденции противоречивы, т.к. повышение сложности и снижение габаритов приводит к увеличению напряженности теплового режима. А требования повышения стабильности параметров системы связаны с необходимостью ее облегчения. Увеличение напряженности теплового режима характеризуется плотностью теплового потока, который составляет 8-10 Вт/см² и выше. Эффективность и качество конструкций РЭС в значительной степени зависят от их способности отводить теплоту. Так удельная мощность на единицу объема и массы составляет для источников вторичного электропитания на дискретных элементах и ПП 20-30 Вт/кг. А на микросборках в металлическом корпусе до 100-150 Вт/кг. Эти данные приводятся без учета параметров систем охлаждения, массы, габаритов, потребляемой мощности, стоимости, надежности и т.д. Т.е. все это может быть соизмеримо с параметрами охлаждаемых источников питания.

2) Тепловые режимы.

В процессе производства, хранения и эксплуатации РЭС может подвергаться воздействию положительных и отрицательных температур обусловленных влиянием окружающей среды, объекта установки и тепловыделения самой РЭС. В наземных условиях температура окружающей среды может изменяться от -85 до +90 град. Диапазон изменения температур в атмосфере может достигать +- 100 градусов (до 8 км), что является результатом прямого, неотраженного от земли излучения солнца, собственного излучения Земли, космического излучения, экранированного излучения других планет, а также от частей установки РЭС. Сама РЭС является источником тепла вследствие того что ее КПД меньше 100%, т.е. значительное количество подводимой энергии выделяется в виде тепла. Если эта энергия не рассеивается в элементах конструкции, то растет температура установки или РЭС и интенсивность отказов (λ). Если температура в любой точке поля РЭС не выходит за допустимую, то такой тепловой режим называется нормальным. Любой тепловой режим характеризуется напряженностью или стационарностью. Если перегрев поверхности аппаратуры относительно окружающей среды не более 0,5 град. то режим считается не теплонапряженным. В теплонапряженном режиме требуется обеспечение нормального режима хотя бы за счет естественной конвекции. Стационарный тепловой режим характеризуется неизменностью температурного поля во времени вследствие наступления термодинамического баланса между источником и поглотителем тепловой энергии. Нестационарный тепловой режим характеризуется зависимостью температурного поля от времени, этот режим имеет место при быстром изменении подводимой к РЭС мощности. Когда часть мощности идет на нагрев конструкции, другая часть идет на обеспечение полезных функций и часть рассеивается в окружающую среду. Баланс энергии имеет вид:

Р=Рн+Рп+Рр

Тепловой режим становится стационарным когда устанавливается термодинамическое равновесие между окружающей средой и изделием нагрев изделия прекращается.

3) Отказы РЭС

Воздействие отрицательных и положительных температур может снизить надежность РЭС. Различают параметрическую надежность, которая характеризуется постепенным отклонением выходных параметров от номинального значения. Надежность характеризуемая интенсивностью внезапных отказов. Причинами постепенных отказов вызванных тепловым воздействием является:

- снижение изоляционных свойств материала

- увеличение токов утечки

- снижение пробиваемого напряжения

- изменение коэффициента усиления и нулевого тока коллектора транзистора

- изменение параметров магнитных сердечников

- изменение емкости конденсаторов

- изменение электрической прочности

- увеличение потерь

- изменение сопротивления резисторов

- повышение тепловых шумов в резисторах и транзисторах

Все эти явления могут привести к искажению сигналов до уровня при котором нормальная работа РЭС невозможна.

Внезапные отказы РЭС вызванные изменением температуры обусловлены:

- нарушением целостности элементов конструкции вследствие различия температуры ее материалов

- обрыв проводников

- растрескивание металлических стекловолоконных сплавов

- отслаивание и растрескивание подложек

- появление внутренних напряжений, приводящих к нарушению паяных, сварных, клеевых соединений

- растрескивание компаундов

- заклинивание кинематических пар

- замерзание влаги

- появление микротрещин в подложках

- отслаивание печатных проводников

- конденсация влаги, создающая закорачивающие перемычки и условия для возникновения электрохимической коррозии

- затвердевание или размягчение резины

- изменение вязкости смазок

- выделение газообразных составляющих из диэлектрических материалов конструкций, что ведет к уменьшению электрической прочности и образованию агрессивных сред

- старение припоя (перекристаллизация и т.д.)

Элементы РЭС характеризуются термостойкостью, под которой понимают способность материала и компонентов кратковременно выдерживать воздействие высоких и низких температур, а также резкие изменения температуры (термоудар). Термостойкость определяется по температуре соответствующей началу существенного изменения свойств или параметров компонентов, обусловленных различными физико-химическими процессами. В тех случаях когда конструкция не обеспечивает нормального теплового режима могут быть использованы элементы работающие в широком диапазоне температур благодаря введению устройств термокомпенсации это усложняет электросхему и конструкцию ухудшает энергетические и массо габаритные параметры, стоимость РЭС и не всегда обеспечивает требуемую надежность.

Система обеспечения теплового режима РЭС

1) Общие сведения о СОТР

Для обеспечения теплового режима РЭС используют СОТР каждая из которых характеризует особенности структуры, интенсивность теплоотвода, технические показатели (масса, габариты, потребляемая мощность, стоимость, надежность и т.д.). Особенности структуры СОТР определяются:

- режимом работы зависящим от соотношения температуры внешней среды и температуры РЭС.

- характером связи хладогента с внешней средой

- режимом работы РЭС (непрерывный и периодический)

- способом передачи теплоты (конвекция, теплопроводность, излучение, комбинированный способ)

- способом поглощения теплоты (за счет термоаккумулирующих свойств окружающей среды и материала конструкции)

Структура СОТР определяется областью использования с учетом условий в которых работает система, уровнем разукрупнения РЭС, видом аппаратуры и т.д.

2) Способы приведения РЭС к нормальной температуре.

Если средняя температура окружающей среды близка к нормальной, то система должна обеспечивать изоляцию от влияния быстрого изменения температуры внешней среды. Это достигается применением пассивных (теплоизоляция, отражающие покрытия) или активных (нагрев, охлаждение, реверс) систем термостатирования. Если средняя температура окружающей среды значительно отличается от нормальной для РЭС, то использование систем для устранения разности температур применяют за счет дополнительного нагрева или охлаждения РЭС. Охлаждение используют в тех случаях, когда необходимо уменьшить влияние выделяющихся в аппаратуре теплоты и отвести от нее тепловой поток, затем рассеять. Это осуществляется с помощью различных систем охлаждения, для которых имеет значение такие факторы как способ передачи теплоты, тип хладоагента, его связь с окружающей средой, режим работы аппаратуры и способом поглощения теплоты.

………………………..

В тех случаях, когда объект не содержит нестабильных источников теплоты и мала теплопроводность внешних электрических связей, защита объекта от быстрых тепловых воздействий можно осуществлять с помощью теплоизоляции. Это вакуумная сосуд Дьюара? К простейшим пассивным термостатом является сосуд Дьюара, который применяют для термостатирования малогабаритных узлов. Сосуды с диаметром внутренней полости ~25мм и внешним диаметром 40мм при длине 90мм устойчивы к воздействию вибраций в диапазоне частот от 10-200Гц при ускорении 15g и к ударным перегрузкам с ускорением до 150g.