Реферат: Тепловые и механические характеристики электронных средств

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,