185

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

“МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ

РАДИОТЕХНИКИ, ЭЛЕКТРОНИКИ И АВТОМАТИКИ

(ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)”

А.И. УДАЛОВ

Тепловое проектирование радиоэлектронных средств

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

МОСКВА 2005

Введение

Тепловое проектирование является одним из ответственных этапов создания радиоэлектронных средств (РЭС), в значительной степени определяющим их функционирование на всех этапах жизненного цикла [1,2,3]. Работа РЭС, как правило, характеризуется достаточно интенсивным выделением тепла в электрорадиоэлементах (ЭРЭ) [4,5,6]. По этой причине температура Тотдельных ЭРЭ в рабочем режиме может достигать 350 К и выше. РЭС проектируется инженерами, специализирующимися в разных направлениях, и за каждым направлением лежит определенная доля ответственности за правильное функционирование РЭС. Если схемотехники формируют условия передачи и приема информации, ее преобразования и транслирования к потребителю, то проектировщики обеспечивают условия надежного функционирования, эргономичность, экономичность, экологичность и другие важные для пользователей характеристики. Технические и эксплуатационные характеристики РЭС в немалой степени зависят от того, в каком температурном режиме работают ее ЭРЭ, а также функциональные блоки. В конструкцию РЭС закладывают систему обеспечения тепловых режимов (СОТР), которая в значительной степени обеспечивает бесперебойное функционирование РЭС.

Из-за сложности и разнообразия конструкций РЭС создание математических моделей для описания гидродинамики и теплопереноса в теплонагруженных элементах и воздушной среде, окружающей их, наталкивается на огромные трудности, связанные с поиском компромисса между полнотой разрабатываемой модели и возможностью ее численной реализации. Это предопределяет необходимость разработки специализированных методов и средств контроля теплового состояния РЭС.

Дисциплина “Тепловое проектирование радиоэлектронных средств” является одной из базовых дисциплин формирования инженера, занимающегося проектированием и технологией современных РЭС, работающих в жестких тепловых режимах.

1. Влияние тепла и влаги на рэс и их элементы

Радиоэлектронные средства в процессе эксплуатации подвержены различным внешним воздействиям. Из всех внешних воздействий наибольшее влияние на функционирование РЭС оказывают температура и влага, содержащаяся в воздухе. Обеспечение нормального теплового и влажностного режима является одной из важнейших задач, которая решается при проектировании РЭС.

В реальных условиях температура и влага действуют совместно, однако методически удобнее каждый вид воздействия рассматривать раздельно.

1.1. Влияние температуры

Тепловой режим радиоэлектронных средств, то есть пространственно - временное распределение температуры в них определяется с одной стороны внутренними источниками тепла, его конструктивным выполнением, а с другой - температурой окружающей среды.

Радиоэлектронные средства можно рассматривать как преобразователь электрической энергии - часть энергии, потребляемой устройством, преобразуется в полезный (выходной) сигнал, другая ее часть, как правило, большая, преобразуется в тепловую энергию.

Характерной особенностью РЭС является низкий коэффициент полезного действия. Для большинства радиоэлектронных средств кпд составляет не более 5 % и только для мощных генераторов и усилителей высокой частоты он достигает 40…50 % (для генераторов и усилителей на полупроводниковых приборах - до 70…80 %).

Удельная мощность, т.е. мощность, выделяемая в единице объема РЭС, существенно зависит от его конструктивного выполнения и элементной базы. Так, в РЭС, выполненной на электронных вакуумных приборах, эта мощность лежит в пределах 40…70 , на полупроводниковых приборах – 300…600 . Микро миниатюризация РЭС неизбежно связана с увеличением этой удельной мощности.

Тепловая энергия, выделяющаяся в РЭС, приводит к повышению температуры, и, если не принять соответствующих мер, эта температура в ряде случаев может превосходить предельно допустимое значение для ЭРЭ и конструкционных материалов.

Тепловой режим РЭС помимо наличия внутренних источников энергии определяется и температурой окружающей среды, которая, в свою очередь, зависит как от объекта (места) установки, так и климатического пояса. Для стационарной аппаратуры, устанавливаемой в отапливаемых помещениях, пределы изменения температуры окружающей среды сравнительно невелики, а для аппаратуры, устанавливаемой в легких, не отапливаемых помещениях, на подвижных объектах эти изменения могут быть весьма значительными. Так, для резко континентального климата сезонные изменения температуры составляют от -40 до +50 ⁰С, а суточные перепады доходят до 30⁰С. Предельные температуры воздуха,  зафиксированные   уповерхности  земли,  составляют -87⁰С в Антарктиде и +60⁰С в Средней Азии [6].

Температура воздуха существенно зависит от высоты над поверхностью Земли. Характер этой зависимости представлен на рис. 1.1.1. Для умеренной полосы летом температура у поверхности Земли принимается равной 20 ⁰С. С увеличением высоты температура воздуха понижается и на высоте 11 км (5 км на полюсах и 20 км на экваторе) принимается - 56⁰С. Средний градиент температуры у поверхности составляет 0,65⁰С на 100 м.С 11 км и примерно до 32 км температура остается почти постоянной. На больших высотах под воздействием солнечной радиации происходит расщепление молекул газа, в том числе и кислорода.

Атомарный кислород вступает в реакцию с молекулярным, образуя озон. Эта экзотермическая реакция приводит к повышению температуры, которая на высоте примерно 50 км достигает +(40…80)  ⁰С. Разброс температуры зависит от солнечной активности. С дальнейшим удалением от поверхности Земли температура среды падает вследствие большого разряжения воздуха и уменьшения активности химической реакции и на высоте 80…90 км она составляет - (50…90)⁰С. На больших высотах температура только повышается, что обусловлено наличием горячей плазмы солнечной короны.

Рис. 1.1.1.Изменение температуры воздуха с высотой над поверхностью земли, 1…2 – границы изменений, обусловленные солнечной активностью

Для сверхзвуковых самолетов температура в отсеках, где могут устанавливаться РЭС, определяется не столько температурой окружающей среды, сколько аэродинамическим нагревом обшивки, причем этот нагрев будет тем больше, чем больше скорость и меньше высота полета (рис. 1.1.2). Так, при длительном полете на высоте Н =10 км со скоростьюV = 2М(М = 330 м/с – скорость звука в воздухе) температура в отсеках может доходить до 150…200⁰С.

Воздействие температуры приводит к изменению электрических и механических свойств материалов и ЭРЭ, что в конечном итоге снижает точность, надежность и срок службы РЭС, ухудшает функциональные возможности.

На рис.1.1.2. показана зависимость температуры конуса, являющегося моделью самолета, от высоты Ни скорости набегающего потока газа.

Рис. 1.1.2.Зависимость температуры конуса от высоты H и скорости набегающего потока газа M (М =330 м/с)

Изоляционные материалы с изменением температуры изменяют свои электрические характеристики: диэлектрическую проницаемость , объемное удельное и поверхностное сопротивление , тангенс угла диэлектрических потерьtg и электрическую прочность.

Так, удельное сопротивление и электрическая прочность твердых диэлектриков с повышением их температуры уменьшаются, причем характер этих зависимостей выражается экспоненциальной функцией. Зависимость диэлектрической проницаемости и тангенса угла потерь от температуры имеет сложный характер и определяется структурой диэлектрика и частотой приложенного к нему напряжения. Для большинства диэлектриков с повышением температуры диэлектрическая проницаемость уменьшается, а тангенс угла потерь увеличивается.

С ростом температуры диэлектриков ухудшаются и их механические характеристики, такие как прочность при сжатии и растяжении, изгибе, а также твердость и эластичность. При одновременном воздействии тепла и механических усилий многие материалы легко деформируются.

Способность изоляционных материалов противостоять воздействию тепла характеризуется теплостойкостью. Низкой теплостойкостью обладают материалы органического происхождения, у которых при воздействии тепла возникают необратимые физико-химические процессы, приводящие к изменению структуры материала и его старению. У некоторых полимерных материалов при повышении их температуры на 10…12 ⁰С вдвое увеличивается степень теплового износа и, соответственно, вдвое сокращается срок службы изоляции.

При понижении температуры у большинства диэлектриков электрические характеристики улучшаются. Основным критериев морозостойкости является степень изменения механических свойств. Большинство органических материалов становятся хрупкими и неэластичными, но одновременно увеличивается их прочность на разрыв, изгиб и сжатие.

Повышение температуры металлов приводит к увеличению их удельного электрического сопротивления. Температурный коэффициент электрического сопротивления у большинства металлов лежит в пределах 1/⁰С. Так, например, при изменении температуры от 20 до 100⁰С удельное сопротивление меди увеличивается на 32 %, алюминия - на 40 %. С изменением температуры меняется величина магнитного потока из магнитов и магнитная проницаемость магнитодиэлектриков. Температурный коэффициент магнитной проницаемости карбонильного железа равен 1/⁰С, ферритов - 1/⁰С.

Все металлы при нагревании расширяются. Температурный коэффициент линейного расширения их составляет от до1/⁰С. Различие в коэффициенте расширения контактирующих материалов приводит к ослаблению крепления деталей, нарушению установочных размеров, деформации деталей, заклиниванию подвижных частей механических устройств, а также образованию воздушных зазоров в местах сопряжения деталей, выполненных из различных материалов. При низких температурах широко применяемое в РЭС для паяных соединений и герметизации олово меняет свои свойства. Обычное белое олово при температуре ниже -13⁰С медленно переходит в серую модификацию, и этот процесс ускоряется по мере понижения температуры. При переходе белого олова в серое происходит изменение его кристаллической структуры: металл увеличивается в объеме и разрушается. Припои, представляющие сплав олова и свинца, менее склонны к разрушению, однако, этот процесс, хотя в меньшей степени, но имеет место. В результате увеличивается величина переходного сопротивления, уменьшается прочность пайки, нарушается герметизация паяных швов.

Полупроводниковые материалы при воздействии температуры в основном изменяют свои электрические свойства. При повышении температуры увеличивается количество электронно-дырочных пар, уменьшается объемное сопротивление. По этой причине изменяются параметры полупроводниковых приборов - увеличивается прямой и обратный ток перехода (рис. 1.1.3). Так, у германиевых транзисторов обратный ток коллектора увеличивается вдвое, а коэффициент усиления до 15 %на каждые 10 ⁰С повышения температуры. Все это может привести к самовозбуждению устройства, построенного на полупроводниковых приборах, искажению сигнала, тепловому пробою перехода и так далее.

ЭРЭ являются композицией различных материалов, и следовательно изменение температуры неизбежно приводит к отклонению их параметров - емкости Си тангенса угла потерьtg конденсаторов, сопротивленияRрезисторов, индуктивностиLмоточных изделий. Так, например, емкость металлобумажных и сегнетокерамических конденсаторов при повышении температуры от +20 ⁰С до 60 ⁰С увеличивается на 1…14 %, изменяется и тангенс электрических потерь, который у бумажных конденсаторов при +60 ⁰С возрастает в 5…6 раз.

Рис. 1.1.3.Относительное изменение икремниевого транзистора от температуры

Особенно сильно подвержены влиянию температуры электролитические и оксидно-полупроводниковые конденсаторы: у первых из них при температуре +60 ⁰С емкость уменьшается на 10…15 %, а у вторых увеличивается более чем на 10 %.

Высокоомные углеродистые резисторы при повышении температуры уменьшают свое сопротивление, а композиционные и проволочные увеличивают. Температурные коэффициенты сопротивления углеродистых резисторов лежат в пределах - 1/⁰С, а композиционных лакопленочных - 1/⁰С.

Моточные изделия при воздействии температуры изменяют свою индуктивность L и добротностьQза счет изменения, в основном, магнитной проницаемости сердечника и геометрических размеров каркаса и намотки.

Рис. 1.1.4.Изменение интенсивности отказов элементов от температуры: 1 - конденсаторов; 2 - резисторов; 3 – германиевых транзисторов, 4 – кремниевых транзисторов

Помимо отклонения электрических параметров ЭРЭ, что приводит к отклонению выходных параметров РЭС, повышение температуры ускоряет процесс необратимых физико-химических изменений материалов, использованных для построения РЭС, в результате резко увеличивается интенсивность отказов ЭРЭ и следовательно снижается надежность РЭС.

На рис. 1.1.4. показано изменение относительной интенсивности отказов, определяемой как отношение интенсивности отказов при температуреtк интенсивности отказов при температуре 20 ⁰С.

Повышение температуры с 20 до 80 ⁰С приводит к увеличению интенсивности отказов электронно-вакуумных приборов в 1,5…2 раза, полупроводниковых приборов в 3…4 раза, резисторов в 2…3 раза, конденсаторов в 6…8 раз, интегральных микросхем - в 6…10paз [6].

Нормальное функционирование РЭС возможно лишь в том случае, если температура используемых ЭРЭ и материалов находится в допустимых пределах, оговоренных техническими условиям на них. Нижняя граница предельно допустимой температуры для подавляющего большинства ЭРЭ и материалов равна . В приведенной ниже таблице приведены сведения о допустимой верхней границе температуры (в⁰С) для некоторых ЭРЭ и материалов.

ЭРЭ, материалы	0С
приборы полупроводниковые (р - ппереход)
германиевые	85…100
кремниевые	125…150
резисторы постоянные
непроволочные	160…190
проволочные	300…340
конденсаторы
электролитические	80…85
бумажные, металлобумажные	80…90
слюдяные	120…150
пленочные	90…120
керамические	120…150
изоляционные материалы
волокнистые материалы на основе целлюлозы (бумага, фибра, волокно, шелк, хлопчатобумажные изделия)	90…105
стекловолокнистые материалы, слюда, асбест	120…130
пластмассы	100…120
неорганические материалы (стекло, керамика, кварц)	более 180

Выход температуры за границы предельно допустимых значений приводит к нарушению функционирования РЭC. Для обеспечения надежной работы диапазон температур принимается значительно уже предельно допустимых значений.