Book5 (1000295), страница 11

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 11)

227

те моделирования нагретой зоны блока, состоящей из m функциональ-
ных 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, выполня-
ющих функции несущих элементов конструкции и кондуктивных теп-
лостоков.

Процессы теплообмена можно представить тепловой моделью кон-
струкций 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 выполня-
ется требование периодичности их размещения. Поэтому параметры
модели нагретой зоны в виде однородного анизотропного тела получа-
ют на основе выбора в качестве элементарной тепловой ячейки функ-
циональной 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 отно-
сительно 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 вер-
хнее 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:

σ_ЯХ=2λ_PS_P1/l_P1; σ_ЯY=λ_P(S_P3+S_P4)/l_P3

σ_ЯZ=λ_BHS_BH+λ_PS_KH.P)/l_BH

где λ_P — коэффициент теплопроводности материала рамки; Sp1,
Sp2 Sp3 — площади поперечного сечения соответствующих ребер
жесткости рамки; l_p1, l_p3 — длины ребер жесткости; λ, _вн — коэффициент теплопроводности материала стягивающих винтов; S _вн — суммарная площадь поперечного сечения винтов; S_КН— площадь теплово-
го контакта между рамками ФЯ; l _вн — длина винта в пределах рамки
или высота рамки.

Тепловые проводимости нагретой зоны по направлениям осей коор-
динат

σ_зx=mσ_ЯХ , σ_зy=mσ_ЯY , σ_зz=σ_ЯZ/m

где m— число функциональных ячеек в блоке.

Эквивалентные коэффициенты теплопроводности нагретой зоны по
направлениям координат:

l_X = σ_3Xl_X /lylz'> λy = σ_3y ly / lxlz> λz = σ_z lz / l_Xly

где l_x, l_y , l_z — геометрические размеры нагретой зоны по направлениям координат.

Эквивалентные размеры нагретой зоны для λ _z = λ₀, l_z0 = l _z:

229

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

коэффициент формы нагретой зоны С, после чего определяют тепло-
вую 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 яв-
ляется 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 неболь-
шой погрешностью может быть принята в качестве характеристики теп-
лового режима элементов. Структуры тепловых проводимостей на теп-
ловых 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 ха-
рактеризуется коэффициентом перфорации

230

K_П=S_BX/(L₁ L₂)

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

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

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

Δt_зОЕВ = С_пΔt_зО; Δt_з.ЕВ = С_пΔt_з; Δt_к._ЕВ = С_п Δt_к

Δt _зОЕВ , Δt_зО , Δt_з._ЕВ , Δt_з , Δt_к._ЕВ , t_к— перегревы центра
нагретой зоны, поверхности нагретой зоны и поверхности кожуха для конструкций с перфорированным (ЕВ) и
глухим кожухом; С _п — поправочный

коэффициент, являющийся функ-
цией коэффициента перфорации.

График зависимости С _п от коэф-
фициента перфорации К_п приведен
на рис. 5.42.

Рис. 5.42. График для определения
поправочного коэффициента С „

Таким образом, конструкции бло-
ков с естественной вентиляцией мож-
но представить тепловыми моделями
блоков с глухими кожухами и после
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 микро-
сборках. Типичный представитель — конструкции в корпусах типа «пе-
нал». Упрощенное изображение конструкции приведено на рис. 5.43, а.

Бескорпусные микросборки 3 размещены на металлическом основа-
нии 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 σ_вн, тепловые проводимости подложки микросборки σ _п и клеевого соединения σ_КЛ подложки

микросборки и основания. Основание и корпус можно принять за изо-
термическую поверхность. Передача тепла с поверхности корпуса ок-
ружающей среде осуществляется конвекцией и излучением. При усло-
вии, что в пределах каждой из п микросборок отсутствует взаимное
тепловое влияние между элементами (предусмотрены зоны тепловой
защиты элементов) тепловая схема процесса теплообмена в конструк-
ции 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 теплостойко-
го элемента. Температура i-го элемента, расположенного на j-й под-
ложке, может быть найдена как

232

t_ij =t _Пj + Pij/σ_{BH ij}

где P ij — тепловой поток элемента; Рj• — суммарный тепловой поток,

выделяемый элементами j-й микросборки; m — число элементов на
подложке j-и микросборки; n — число микросборок.

Значения внутренних тепловых проводимостей для бескорпусных интегральных микросхем и транзисторов берут из технических условий на элементы или определяют по тепловой схеме рис. 5.44, б. Исходя из способа установки кристалла на подложке (рис. 5.44, а) тепло от активной области кристалла стекает на подложку 3 через кристалл 1 (σ _кр), слой клея 2 (σ_КЛ) и выводы 4 (σ _выв).

Рис. 5.44. К определению внутренней тепловой проводимости активного бескорпусного элемента : а — вариант установки на подложке; б — тепловая схема

При известных геометрических размерах элементов и коэффициентах теплопроводности материалов определение проводимостей кондуктивной теплопередачи не вызывает затруднений.

5.6. Тепловое моделирование конструкций РЭС
с принудительным воздушным охлаждением

Принудительное воздушное охлаждение находит широкое примене-
ние в конструкциях РЭС. Это объясняется следующими причинами:
удельная тепловая нагрузка конструкций имеет тенденцию роста при
установившихся показателях теплоустойчивости элементной базы; на-
личие доступного и дешевого теплоносителя; относительная простота

233

конструкций нагнетателя (вентилятора) и воздуховодов. Вместе с тем
системам принудительного воздушного охлаждения свойственны и су-
щественные недостатки, такие как наличие акустических шумов и виб-
рации, увеличение объема и массы конструкций РЭС, снижение надеж-
ности изделия и увеличение затрат энергии на охлаждение.

Используются три системы при-
нудительного воздушного охлаж-
дения: приточная, вытяжная и при-
точно-вытяжная.

Рис. 5.45. Схемы принудительного воз-
душного охлаждения:
а — приточная; б — вытяжная;
в — приточно-вытяжная

Приточная система (рис. 5.45, а)
характеризуется тем, что воздух
под давлением, создаваемым на-
гнетателем, поступает в конструк-
цию, отбирает тепло от элементов
и выбрасывается в окружающую
среду или поступает в вытяжной
воздуховод (коллектор).

В вытяжной системе (рис. 5.45, б)
вентилятор устанавливается на вы-
ходе воздуха и отсасывает воздух
из кожуха конструкции.

В приточно-вытяжной системе вентиляторы устанавливают на входе
и выходе воздуха (рис. 5.45, в).

Названные системы обладают определенными достоинствами и не-
достатками. Так, например, достоинством приточной системы является
повышенное давление воздуха на входе, что способствует повышению
эффективности теплообмена. В то же время поступающий в систему
воздух имеет повышенную температуру в результате подогрева частью
мощности, потребляемой электродвигателем вентилятора. В вытяжной
системе воздух' на входе имеет давление несколько ниже нормального
и поэтому менее эффективен как теплоноситель. Кроме того, в данной
системе электродвигатель вентилятора находится в потоке горячего
воздуха. Приточная и вытяжная системы имеют общий недостаток: они
не препятствуют утечкам воздуха. Этого недостатка лишена приточно-
вытяжная система охлаждения, позволяющая в несколько раз снизить
утечки. Кажущаяся сложность приточно-вытяжной системы компенси-
руется лучшими экономическими показателями.

Подход к построению тепловой модели РЭС с принудительным воз-
душным охлаждением опирается на рассмотренные в разд. 5.2 общие
принципы. Однако сложность модели существенно зависит от структу-
ры нагретой зоны конструкции, принятых допущений и взаимодействия
потока охлаждающего воздуха с тепловыделяющими элементами.

Характеристики

Список файлов книги