Выбор формы конструкции блока электронной аппаратуры.

Рассмотрена оптимизация формы блоков аппаратуры по критериям тепловой напряженности , вибропрочности и плотности упаковки для конструкций на корпусных ИС.

Форма конструкций блоков электронной аппаратуры (ЭА) зависит от назначения и объекта установки, определяющих не только выделяемый объект и геометрию размещения, но и эксплуатации и требования компоновки.

Условия эксплуатации, главными воздействующими факторами которых являются температура окружающей среды и вибрация, накладывают разные требования по выбору формы блока. Так, с одной стороны, вытянутые или плоские блоки характеризуются лучшим теплообменом с окружающей средой, чем блоки кубической формы, а с другой стороны, вытянутые блоки имеют меньшую плотность упаковки, а плоские - меньшую вибропрочность, чем кубические.

В статье проводится анализ влияния изменения формы блока на теплоотдачу, вибропрочность и плотность упаковки ЭА.

Тепловая напряженность определяется величиной удельной мощности рассеяния в объеме блока или с его поверхности. Последняя выражается так:

; (1)

где = 0.8×-мощность рассеянья в блоке;

-мощность потребления;

-коэффициенты лучеиспускания и конвекции, определяемые по номограммам;

-перегрев корпуса блока относительно максимальной температуры среды (для выбора системы охлаждения оценочно может быть определен по графика зависимости от удельной мощности рассеянья).

Принимаем условия, что при одном и том же объеме могут быть выбраны разные формы блока, которые при квадратном сечении могут оцениваться " коэффициентом планарности".

К₂= а / h; где а-сторона куба,h-высота куба;

Тогда для куба a = h; K₂ = 1;

Для вытянутой вверх формы h > a; K₂ < 1;

Для плоской формы h < a; K₂ > 1;

Введем также коэффициенты изменения сторон верхней грани:

К₃= а_i / a; где а_i - сторона квадрата основания блока.

Тогда при равенстве объемов блока кубической формы и формы, отличной от него, получим, что:

далее поскольку К₂= а / h=;

К₃=;

Площадь поверхности блока с формой, отличной от куба, в основании которого лежит квадрат:

;

Площадь поверхности блока в форме куба:

;

Тогда изменение площади поверхности блока, отличного по форме от куба, составим в относительной форме:

; (2)

В соответствии с этим выражением количество тепла, отдаваемое в среду, увеличивается в раз, тогда, согласно (1), тепловая напряженность в блоке по отношения к кубу будет равна обратной величине, т.е. уменьшится в такое же число раз, а ее изменение:

; (3)

-изменение тепловой напряженности.

Например: для вытянутой формы блока с ,; для плоской формы блока с,, а для куба,, т.е. изменение в два раза коэффициента планарности в любую сторону на единицу приводит к уменьшению теплового напряжения в блоке примерно на 10-12%, что в ряде случаев, в особенности для цифровой компактной ЭА, может оказаться существенным. При изменении коэффициента планарности в десять раз тепло напряженность может быть уменьшена в три с лишним раза.

Вибропрочность блока определяется допустимой перегрузкой конструкции на виброускорение:

n = a / q ,где

a-максимальная величина ускорения вибрации;

q-ускорение свободного падения;

Эта величина зависит от допустимой амплитуды (А) колебания наиболее опасных элементов блока при резонансе и допустимой виброскорости (V) для них при знакопеременных нагрузках :

;, где

-собственная частота колебания конструкции;

-коэффициент динамичности конструкции; определяемый, в основном, конструкцией функциональной ячейки (ФЯ), являющейся основной частью всего блока, образованного из пакета ФЯ и корпуса.

Рассматривая такую конструкцию моноблока ЭА, можно утверждать, что допустимая перегрузка будет изменятся в зависимости от изменения собственной частоты ФЯ при изменении размеров и формы ее плоскости. Собственная частота ФЯ может быть рассчитана по формуле:

; ,где (4)

-коэффициент материала;

-коэффициент весовой нагрузки на плату;

С - постоянная, определяемая способом закрепления сторон платы и соотношением ее сторон;

h-толщина платы;

а -длинная сторона платы;

При изменении формы блока будем считать, что из указанных выше величин изменяется лишь сторона блока, а следовательно, и сторона ФЯ. Тогда изменение собственной частоты обратно пропорционально коэффициенту планарности:

;

Так, для вытянутой формы блока ссобственная частота увеличивается в два раза, а для плоскойуменьшится в те же два раза. При еще большем изменении коэффициента планарности эти изменения собственных частот, а следовательно, и допустимых перегрузок могут составить значительный выигрыш или проигрыш в вибропрочности конструкции.

Плотность упаковки элементов в объеме определяется как:

; где

-суммарное число элементов схемы;

-число ИС в блоке;

-число элементов в одной ИС;

-число навесных компонентов (ЭРЭ) в блоке;

V-объем блока.

Плотность упаковки элементов в объеме характеризует компактность блоков, наиболее полное заполнение его объема элементами, т.е. при правильной компоновке на платах не должно быть "пустых" незаполненных интегральными схемами или РЭА мест. Требуемая площадь печатной платы рассчитывается из формул:

; и

; где

и-размеры печатной платы;

и-количество ИС в строке и столбце;

и-шаги установки микросхем;

и-размеры корпусов ИС;

-краевые поля.

Краевые поля увеличивают непроизводительные потери площади печатных плат, а следовательно, и самого объема блока. При этом, разуется, плотность упаковки уменьшается. Чем больше размеры печатной платы, т.е. чем больше коэффициент планарности, тем меньше доля непроизводительной площади по отношению к основной "полезной" площади. От изменения размеров платы величина краевых полей не меняется. Поэтому для блоков с более плоскими платами, потери в объеме будут меньше, а плотность упаковки выше.

Итак, рассмотрев влияние формы на теплонапряженность, вибропрочность и компактность конструкции блоков, можно заключить, что оптимальная форма конкретного изделия может быть найдена уже на ранних стадиях его конструирования на основе расчетов указанных показателями по приведенным формулам (можно на ЭВМ).

Пример:

ТЗ на конструирование:

Компоновка разъемная

Серия ИС К 131

Среднее количество задействованных выводов ИС 9

Количество ИС в блоке (N_ис)320

Количество внешних контактов ячейки 45

Толщена ПП 2 мм.

Допустимая перегрузка (n) 8

Допустимая амплитуда вибраций элементов на плате (А) 0.5 мм.

Допустимая виброскорость элементов на плате (V) 1000 мм/с

Схема крепления ПП длинные стороны защемлены

Допустимая удельная мощность (Р_уд) 40 мВт/см²

В таблице приведены варианты ФЯ результаты их расчета. Поданным расчета построены графики для исследуемых пяти вариантов с плотной компоновкой ИС в ФЯ.

Номер варианта ФЯ	1	2	3	4	5
Размер платы:
Lx	105	205	205	205	255
Ly	80	80	90	140	140
Количество ячеек в макете:	20	10	8	5	4
Количество ИС в ряду, шт.:	4	8	8	8	10
Количество рядов:	4	4	5	8	8
Объем пакета ячеек, дм3:	2,98	2,85	2,69	2,61	2,57
Масса пакета ячеек, кг.:	2,45	2,02	1,89	1,29	0,99
Коэффициент дезинтеграции:
gm	3	2,5	2,4	1,6	1,2
gv	21	19,6	18,8	16,7	15
Плотность упаковки, эл/см3	52	54	56	63	67
Коэффициент планарности, К2	0,33	0,67	0,84	1,4	1,7
Резонансная частота, Гц	1016	803	651	365	296
Допустимые перегрузки:
nA	81,5	64,3	32,5	10,4	6,9
nV	25,5	19,7	16,1	9,1	7,4
nmin	25,5	19,7	16,1	9,1	6,9
Поверхностная плотность теплового потока, МВт/см2	31,2	38,9	41,6	38,6	32,7

Из графиков, на которые нанесены допустимые по ТЗ предельные значения теплонапряженности и перегрузки, следует, что по первому параметру недопустимы блоки с 0.75 <К₂ <1.34, а по второму параметру с К₂ > 1.5.

Таким образом, оба условия обеспечиваются при К₂ £ 0.75 и 1.34£К₂£1.5. Выбираем величину коэффициента планарности при котором плотность упаковки выше. В выбранном интервале наиболее близким является вариант[4]К₂=1.4. Дальнейшие коррективы на конструкцию должны основываться на стандартных положениях выбора геометрических размеров плат, унифицированных ресурсов и т.п.. Аналогичный метод расчета для блоков на бескорпусных микросхемах приведен в[4].