21. Теплоотвод и термостатирование блоков рэа и эва.

В большинстве ЭВА лишь набольшая часть подводимой мощности используется на полезное преобразование сигнала; остальная часть выделяется в виде тепловой энергии. Перенос тепла из одной части аппаратуры в другую и вывод ее в окружающее пространство осуществляется за счет теплопроводности, конвекции и излучения; их совокупность определяет тепловой режим ЭВА.

Передачу тепла с помощью теплопроводности определяют по формуле: Q =  dT/dx S,

где Q  количество теплоты, передаваемое за счет теплопроводности в единицу времени от одной изотермической поверхности сопрягаемых тел к другой, Вт;   коэффициент теплопроводности тела, определяемый по таблицам физических констант, Вт/(м·К); S  площадь поперечного сечения теплового потока, м²; dT/dx  градиент температуры, К/м.

Передача тепла с помощью конвекции подчиняется закону Ньютона  Рихмана: Q₂ = h S(T  T_c),

где Q₂  количество теплоты, переносимое газом или жидкостью в единицу времени от одной поверхности к другой или в окружающую среду, Вт; h  коэффициент конвективной теплопередачи, Вт/(м²К); S  площадь поверхности теплоотдачи, м²; Т  температура поверхности твердого тела, К; Т_с  температура окружающей среды, К.

Количество теплоты, отводимой от плоской поверхности 1 к параллельной ей плоской поверхности 2 с помощью излучения (лучеиспускания): Q₃ = _п С₀ [( 0,01Т₁)⁴  0,01Т₂)⁴] S₁,

где _п=1/(1/ε₁ + ε₂ –1) – приведенная степень черноты системы поверхностей со степенью черноты ε₁ и ε₂ каждой из них; C₀ = 5,673 Вт/(м² ·К⁴) – коэффициент излучения абсолютно черного тела; Т₁ и Т₂ – температуры поверхностей 1 и 2, К; S₁ – площадь первой поверхности, м.

При разработке несущих конструкций для соблюдения требований теплоотвода в соответствии с приведенными формулами необходимо создание в электронном узле или блоке условий для отвода тепла от источников во внешнюю среду. В зависимости от вида ЭВА эта задача может решаться по-разному. Например, в микроэлектронной аппаратуре (МЭА) с применением бескорпусных интегральных микросхем (ИС) и больших гибридных интегральных схем (БГИС), где плотность упаковки очень высокая, а газовые каналы невелики, теплоотвод осуществляется за счет теплопроводности. В РЭА с дискретными ЭРЭ, мощными трансформаторами и дросселями с несущими элементами типа шасси или каркаса блока отвод тепла из-за наличия воздушных каналов происходит как за счет теплопроводности, так и за счет конвекции. Улучшение теплоотвода обеспечивается принудительным движением воздуха с помощью вентилятора.

Для улучшения теплоотвода за счет теплопроводности необходимо использовать материалы с высоким коэффициентом теплопроводности. Такими материалами являются медь, алюминий и их сплавы.

Увеличение размеров сечения теплоотводящих деталей и площади их контакта также способствуют теплоотводу. При этом для хорошей передачи тепла от одной детали к другой необходимо добиваться снижения тепловых сопротивлений за счет уменьшения шероховатости контактирующих поверхностей и повышения удельного давления, способствующих повышению площади контакта.

Малое тепловое сопротивление между тепловыделяющими и теплопроводящими деталями способствуют лучшему выравниванию температуры. Наличие между ними изоляционных прокладок, слоя краски и лака увеличивает тепловое сопротивление в сотни раз; загрязнения и неровности, образующие воздушные прослойки, также ухудшают тепловой контакт. Вместе с тем применение в зазорах прокладок с большой теплопроводностью, уменьшение зазоров в зоне контакта за счет снижения шероховатости контактирующих поверхностей улучшают теплопроводность. Материалами с малым контактным тепловым сопротивлением являются медь и алюминий, а из материалов покрытий – кадмий, олово и свинец.

Теплоотвод от печатных плат затруднен в связи с низкой теплопроводностью материала основания платы (стеклотекстолит, пластмассы и др. диэлектрические материалы). В связи с этим для теплоотвода вводят дополнительные теплоотводящие массивные шины, которые должны иметь тепловой контакт с несущей конструкцией.

В блоках на микросборках, имеющих большую плотность упаковки, теплоотвод в основном происходит за счет теплопроводности от подложек через несущую рамку на корпус блока. Температура нагрева подложек может доходить до 100 – 120º C (материал – керамика, ситал), а воздушные промежутки между ячейками ограничены, необходимо обеспечить перечисленные условия теплоотвода за счет теплопередачи. Это же относится к герметичным конструкциям, где теплоотвод возможен только этим способом. Дополнительно могут рекомендоваться также компоновка в корпусе более «горячих» ячеек ближе к стенкам или основаниям корпуса блока.

Охлаждение конвекцией можно обеспечить увеличением объема теплоотвода и хорошее обтекание воздушным потоком нагретых зон; более нагретые зоны следует располагать ближе к теплоотводящим стенкам, а теплочувствительные элементы защищать теплоотражательными экранами. Естественное охлаждение конвекцией возможно при давлении свыше 4200 Па и относительно невысокой окружающей температуре, т. е. затруднено при низком давлении и ее расположении вне гермоотсека, а также в жарком климате. Для улучшения охлаждения конвекцией в корпусах блоков делают вентиляционные отверстия и создают естественную тягу воздуха. Охлаждение можно усилить путем установки внутри блока вентилятора с соответствующими каналами для прохода воздуха между ячейками. В отдельных случаях используют также жидкостное охлаждение как при протекании жидкости, так и за счет ее испарения.

Увеличение количества теплоты, отводимой лучеиспусканием, обеспечивают, выбирая материалы или их покрытия с более высоким коэффициентом лучеиспускания, зависящим от приведенной степени черноты поверхности.