Основы проектирования электронных средств Материалы к Экз ОПЭС-2014 РК-01-02 / Назаров_Конструирование_РЭС

теплопроводности нагретой зоны: λ.х = λ,z = 0,35 Вт/(м • К) λY, =0,09 Вт/(м • К). Оси координат Ох и Oz лежат в плоскости плат

функциональных ячеек, ось Оу — перпендикулярна плоскостям плат.

Для условий теплообмена в ограниченном пространстве коэффициент теплопередачи излучением αлз может быть принят равным

7 Вт/(м2-К).

Порядок расчета тепловой контактной проводимости σ тк изложен в

разд. 5.4.1.

При малой толщине стенки (δ с к = 1,5...2 мм) тепловым сопротивлением стенок корпуса, выполненного из металлических сплавов с высоким коэффициентом теплопроводности, обычно пренебрегают. Однако если используется корпус из пластмассы, то тепловую проводимость стенок σ с к необходимо учитывать.

Для определения конвективного α к и лучевого αл коэффициентов

теплопередачи в условиях неограниченного пространства (теплообмен между наружной стенкой кожуха и окружающей средой) можно воспользоваться номограммами рис. 5.9 и 5.10.

5.5.2. Расчет собственного и наведенного перегрева

го и наведенного перегревов. Собственный перегрев определяется действием источника тепла, расположенного в j-й точке при условии, что остальные источники выключены. Наведенный перегрев обусловлен действием всех источников тепла, кроме расположенного в j-й точке.

Для расчета собственного и наведенного перегревов тепловая модель должна быть детализирована до выделения отдельных источников тепла или групп источников. Решение задачи иллюстрируется на примере блока разъемного типа, когда каждая функциональная ячейка рассматривается как нагретая зона с распределенными в ней источниками тепла. Данная модель позволяет рассчитывать собственный и на веденный перегревы функциональных ячеек и получать распределение температуры внутри нагретой зоны блока.

Схематическое изображение конструкции блока приведено на рис. 5.37.

В металлическом корпусе 1 размещено m функциональных ячеек, собранных на корпусированных ИС. Каждая ячейка представляет собой нагретую зону. Поверхности всех т нагретых зон — изотермические с

223

температурами t3i. Высота i-й нагре-

той зоны h3i = Ki3b + δП , где Ki3 — коэффициент заполнения i-й функ-

циональной ячейки; b — шаг размещения ячеек

в блоке; δп — толщина печатной платы.

Из-за малых воздушных зазоров теплообмен между функциональными ячейками (2...3 мм) можно рассматривать как процесс передачи тепла теплопроводностью через ограниченную многослойную стенку.

От плат функциональных ячеек к Рис. 5.37. Схемотехническое корпусу и от корпуса к окружающей среде изображение блока кассетной тепло передается конвекцией и излучением.

температурами tK и t3i . Кроме того, считают, что функциональные ячейки однотипны по конструкции, коэффициенты заполнения всех плат одинаковы, воздушный зазор между ячейками b1 , =b -h3i постоянен по всей площади платы.

Перегрев поверхности каждой ячейки складывается из собственного перегрева t., обусловленного действием только собственных источников тепла Р i и наведенного tf H в результате действия источников тепла всех ФЯ, кроме i-й.

Тепловые схемы блока для расчета собственного и наведенного перегревов приведены на рис. 5.38 и 5.39 соответственно. На схемах приняты следующие обозначения: t c — температура окружающей среды; t к — перегрев корпуса блока; t3,-, 13,- — среднеповерхностная температура и перегрев i-й функциональной ячейки; R σ0 — тепловое сопротивление воздушной прослойки между крайними ячейками и кожухом; R σ — тепловое сопротивление между соседними ячейками; R сопротивление воздушных прослоек между торцевыми поверхностями ФЯ и кожухом.

Предполагается, что тепловой поток Р i рассеиваемый нагретой зоной i-й ФЯ, распространяется влево и вправо от ячейки.

При этом часть теплового потока, идущая в левую сторону, Рiл обратно пропорциональна тепловому сопротивлению левой от i-й функциональной ячейки ветви Рiл. Составляющая теплового потока, рас-

224

Рис. 5.38. Тепловая схема блока для расчета собственного перегрева:

а — исходная схема; б — преобразованная

Рис. 5.39. Тепловая схема блока для расчета наведенного перегрева

пространяющаяся в правую сторону, Рiп обратно пропорциональна тепловому сопротивлению правой ветви Рiп (рис. 5.38, б).

Как следует из тепловой схемы рис. 5.38, а,

При известных значениях R i л и R iп собственный перегрев

где t {к — перегрев кожуха блока, обусловленный тепловым потоком 1-й функциональной ячейки.

Расчет наведенного перегрева производится по тепловой схеме рис. 5.39. Тепловой поток s-й функциональной ячейки РS , распространяясь влево и вправо (РS=PSJ1 + Psn), определяет значения наведенных на соседних ячейках перегревов. Из схемы рис. 5.39

Входящие в (5.47) и (5.48) тепловые сопротивления PSJ1и PSП рассчитываются по формулам (5.44) и (5.45), собственный перегрев s-й ячейки ts — по формуле (5.46).

Перегревы, наведенные на функциональные ячейки, расположенные слева от s-й, определяются соотношениями:

P( S + 2 ) П = P( S + 1 ) П - P*( S + 1 ) П ;…;Pm П = P( m - 1 ) П - P*( m - 1 ) П

tS m = tS ( m - 1 ) - Pm П Rσ

226

Перегрев поверхности i-й функциональной ячейки с учетом собственного и наведенного перегревов согласно принципу суперпозиции можно найти как

Тепловое сопротивление R 6 0 обусловлено конвективно-кондуктивной и лучевой теплопередачами через воадушную прослойку между боковой поверхностью крайней платы и внутренней боковой стенкой кожуха:

RбО= y/(кпλBScр + αЛSПЛΔу),

где у — толщина воздушной прослойки; к п — поправочный коэффициент на конвективную теплопередачу; λв — коэффициент теплопроводности воздуха; Sср = 0,5(Sпл + Sстб) — площадь средней изотермической поверхности; S ПЛ = lплxlпyx — площадь поверхности платы ФЯ; 1ПЛХ, /ПЛ2 — геометрические размеры платы; S стб— площадь внутренней боковой стенки кожуха; α л — коэффициент теплопередачи излучением.

Тепловое сопротивление R B характеризует конвективно-кондуктив-

ную и лучевую теплопередачи между торцевой поверхностью функциональной ячейки и внутренней поверхностью кожуха, охватывающей торцевые поверхности ФЯ (нагретых зон):

SiT = 2 h 3i(lплх +lплz) — площадь торцевой поверхности i-й нагретой зоны; S к вн— площадь внутренней поверхности кожуха, охватывающей торцевые поверхности нагретых зон.

Тепловое сопротивление между соседними платами R σ = b/λуSпл,где λy, — эквивалентный коэффициент теплопроводности нагретой зоны блока по направлению y- Определение λy, производится в результа-

227

те моделирования нагретой зоны блока, состоящей из m функциональных ячеек, однородным анизотропным телом.

5.5.3. Тепловое моделирование и расчет теплового режима блоков цифровых РЭС на микросборках

Блоки цифровых РЭС на микросборках обычно выполняются в виде конструкций книжного типа (см. рис. 3.10). Нагретая зона микроблока состоит из функциональных ячеек на металлических рамках, выполняющих функции несущих элементов конструкции и кондуктивных теплостоков.

Процессы теплообмена можно представить тепловой моделью конструкций с источниками тепла, распределенными в объеме (см. разд. 5.5.1).

Однако при определении тепловой проводимости между центром и поверхностью нагретой зоны а 3 в конструкции ФЯ (рис. 5.40) свойство

«дальнего порядка» частично нарушается, поскольку не все элементы конструкции имеют одинаковые геометрические формы и не выполняется требование периодичности их размещения. Поэтому параметры модели нагретой зоны в виде однородного анизотропного тела получают на основе выбора в качестве элементарной тепловой ячейки функциональной ячейки микроблока (системы с «ближним порядком).

Рис. 5.40. Конструкция односторонней функциональной ячейки

Как видно из рис. 5.40, тепло по направлению х в конструкции ФЯ передается преимущественно через боковые ребра жесткости рамки 1 и

228

печатную плату 3. Другие элементы конструкции, обладающие относительно высокими коэффициентами теплопроводности, включены последовательно с воздушными прослойками (λ в = 0,025 Вт/(м • К)).

Аналогичен механизм передачи тепла через элементы конструкции ФЯ в направлении у. Основными цепями переноса тепла являются верхнее 2 и нижнее 4 ребра жесткости рамки.

По направлению z тепло в пределах ФЯ передается через винты, стягивающие ячейки в пакет, и через ребра жесткости рамки 1 и 2, по которым осуществляется тепловой контакт между ячейками в пакете.

Таким образом, тепловые проводимости ФЯ по направлениям осей координат:

σЯХ=2λPSP1/lP1; σЯY=λP(SP3+SP4)/lP3

σЯZ=λBHSBH+λPSKH.P)/lBH

где λP — коэффициент теплопроводности материала рамки; Sp1, Sp2 Sp3 — площади поперечного сечения соответствующих ребер жесткости рамки; lp1, lp3 — длины ребер жесткости; λ, вн — коэффициент теплопроводности материала стягивающих винтов; S вн — суммарная площадь поперечного сечения винтов; SКН— площадь теплового контакта между рамками ФЯ; l вн — длина винта в пределах рамки

или высота рамки.

Тепловые проводимости нагретой зоны по направлениям осей координат

σзx=mσЯХ , σзy=mσЯY , σзz=σЯZ/m

где m— число функциональных ячеек в блоке.

Эквивалентные коэффициенты теплопроводности нагретой зоны по направлениям координат:

lX = σ3XlX /lylz'> λy = σ3y ly / lxlz> λz = σz lz / lXly

где lx, ly , lz — геометрические размеры нагретой зоны по направлениям координат.

Эквивалентные размеры нагретой зоны для λ z = λ0, lz0 = l z:

229

Через отношения lz/lxo и lz/ly0 по графикам рис. 5.16 находят

коэффициент формы нагретой зоны С, после чего определяют тепловую проводимость между центром и поверхностью нагретой зоны:

σ3 = 4λzlxly/Clz.

5.5.4. Тепловое моделирование и расчет теплового режима конструкций РЭС с источниками тепла, расположенными в плоскости

Модель распространяется на конструкции блоков и модулей РЭС, выполненных на одной плате, закрепленной на кожухе.

Упрощенное изображение конструкции приведено на рис. 5.41, а, тепловая схема — на рис. 5.41, б. Особенностью таких конструкций является распределение источников тепла в одной плоскости. Механизм теплообмена и тепловая модель в целом аналогичны конструкциям РЭС с источниками тепла, распределенными в объеме (см. рис. 5.36, а). Однако размещение тепловыделяющих элементов в плоскости дает

Рис. 5. 41. Тепловая модель конструкции блока с пленарной нагретой зоной: а — упрощенное изображение конструкции; б — тепловая схема

возможность при оценке теплового режима ограничиваться расчетом среднеповерхностной температуры нагретой зоны t3, которая с небольшой погрешностью может быть принята в качестве характеристики теплового режима элементов. Структуры тепловых проводимостей на тепловых схемах рис. 5.36, б и 5.41, б полностью совпадают.

5.5.5. Тепловое моделирование и расчет теплового режима конструкций РЭС с естественной вентиляцией

Естественная вентиляция в конструкциях осуществляется за счет перфорации кожухов, что обеспечивает естественное подтекание холодного воздуха к тепловыделяющим элементам и, тем самым, повышает эффективность теплообмена.

Интенсивность свободной конвекции с притоком воздуха извне характеризуется коэффициентом перфорации

230

KП=SBX/(L1 L2)

где Sвх — суммарная площадь отверстий в нижней стенке кожуха на входе в блок; L 1, L 2 — геометрические размеры стенки.

Обычно коэффициент перфорации Кп = 0,05...0,1. Входные и выходные отверстия в кожухе выполняются напротив нагретой зоны плат, причем суммарная площадь выходных отверстий в 1,5—2 раза больше

SBX

Показатели теплового режима блока с перфорированным кожухом могут быть найдены, если известны показатели для блока с естественным воздушным охлаждением без притока воздуха:

расчета показателей теплового режима ввести поправку на естественную вентиляцию.

5.5.6. Тепловое моделирование конструкций с тепловыделяющими элементами, размещенными на металлических основаниях

Данный класс объединяет конструкции аналоговых МЭА на микросборках. Типичный представитель — конструкции в корпусах типа «пенал». Упрощенное изображение конструкции приведено на рис. 5.43, а.

Бескорпусные микросборки 3 размещены на металлическом основании 2, которое устанавливается в корпус 1. Характерная особенность конструкций — передача тепла от элементов микросборок к корпусу преимущественно теплопроводностью через внутреннюю тепловую

231

проводимость тепловыделяющих элементов σвн, тепловые проводимости подложки микросборки σ п и клеевого соединения σКЛ подложки

микросборки и основания. Основание и корпус можно принять за изотермическую поверхность. Передача тепла с поверхности корпуса окружающей среде осуществляется конвекцией и излучением. При условии, что в пределах каждой из п микросборок отсутствует взаимное тепловое влияние между элементами (предусмотрены зоны тепловой защиты элементов) тепловая схема процесса теплообмена в конструкции может быть представлена в виде рис. 5.43,6.

Рис. 5.43. Тепловая модель конструкции пенального типа на микросборках: а — схематическое изображение конструкции; б — тепловая схема

Критериальной оценкой теплового режима конструкции является температура наиболее теплонагруженного или наименее теплостойкого элемента. Температура i-го элемента, расположенного на j-й подложке, может быть найдена как

232