21. Тепловой баланс и тепловой режим изделий

Проблема отвода тепла в РЭС является одной из важнейших проблем конструирования и разработки радиоэлектронных приборов. С появлением БИС с очень высокой плотностью размещения активных элементов на кристалле и с появлением плат, содержащих сотни ИС, вопросы обеспечения нормального теплового режима встали перед разработчиками электронной аппаратуры так остро, как никогда прежде. Дополнительные аспекты этой проблемы возникают при каждом новом скачке в области электрических характеристик приборов, например при повышении быстродействия логических ИС или при увеличении выходной мощности аналоговых схем. Разработчика РЭА интересует не тепловой режим вообще, а нормальный (или заданный) тепловой режим. Тепловой режим отдельного элемента считается нормальным, если соблюдаются два условия: 1) температура элемента (или окружающей элемент среды) находится в пределах, определенных паспортом или техническими условиями на него, независимо от изменения окружающей аппаратуру среды; 2) температура элемента должна быть такова, чтобы обеспечивалась его работа с заданной надежностью. Первое условие является обязательным для каждого элемента. Второе — специально оговаривается в техническом задании (ТЗ) на аппаратуру. Тепловой режим всей аппаратуры считается нормальным, если обеспечивается нормальный тепловой режим всех его элементов без исключения. Электрорадиоэлементы и электрорадиоматериалы обладают ограниченной теплостойкостью, т. е. могут нормально работать лишь в заданном диапазоне температур. Причина этого в различных физических и химических процессах, которые при повышении (понижении) температуры либо развиваются лавинообразно, либо приводят к усиленному старению материалов. Для понимания задачи защиты конструкций РЭУ от тепловых воздействий необходимо рассмотреть баланс энергии, подводимой и отводимой от изделия. Соотношение полезной и рассеиваемой в виде теплоты энергии определяется коэффициентом полезного действия η:

η = где – полезная энергия; – подводимая к изделию энергия от источника питания; – энергия, затрачиваемая на нагрев элементов; – энергия, рассеиваемая в окружающем пространстве. Элементы, выделяющие теплоту, называют источниками, поглощающие – стоками, а сам процесс – теплообменом. Конструкции изделий представляются в этом случае в виде системы тел с сосредоточенными многочисленными источниками и стоками теплоты. Поскольку выделение теплоты происходит в определенном объеме, то это теплорассеивающее пространство называют нагретой зоной. Реальная нагретая зона имеет весьма неравномерное расположение источников теплоты и ограничивается стенками корпуса. Таким образом, конструкцию РЭС при рассмотрении ее теплового режима можно представить как совокупность определенных нагретых зон различной иерархии, вложенных друг в друга. Температурное состояние изделия, т.е. пространственно-временное изменение его температуры в зависимости от мощности источников и стоков энергии, от физических и геометрических параметров изделия и окружающей среды, называют тепловым режимом изделия. Тепловой режим любого устройства можно охарактеризовать тепловой напряженностью, определяемой объемной или поверхностной плотностью теплового потока. Объемная плотность теплового потока:

, где = – мощность рассеивания в изделии, Вт; k – коэффициент потерь мощности (k = 0,8...0,9); P – потребляемая мощность, Вт; V – объем изделия (нагретой зоны), дм3. Поверхностная плотность теплового потока:

, где S – площадь поверхности теплоотдачи, . В соответствии с плотностью теплового потока узлы и блоки РЭС подразделяют на теплоненагруженные ( < 0,05 Вт/с ) и теплонагруженные ( > 0,05 Вт/с ). В теплоненагруженных конструкциях их нагрев при естественном охлаждении относительно температуры окружающей среды не превышает 30К. В теплонагруженных конструкциях требуется принудительное охлаждение.