Book5 (1000295), страница 8
Текст из файла (страница 8)
Рис. 5.26. Структура кондуктивной цепи теплопередачи
В идеальной кондуктивной системе теплоемкость стока должна
быть бесконечно большой. Поскольку такие теплостоки не реализуемы
практически, в реальных конструкциях РЭС кондуктивные цепи тепло-
передачи, как правило, заканчиваются теплообменниками, отдающими
тепло окружающей среде или другому теплоносителю.
Высокая эффективность кондуктивных систем охлаждения дости-
гается при малом тепловом сопротивлении цепи теплопередачи между
источником тепла и окружающей средой. Поэтому при разработке кон-
струкций РЭС с кондуктивными системами охлаждения прежде всего
необходимо обратить внимание на тепловые контакты, конструкцию
тепловой шины и теплообмен с окружающей средой или иным тепло-
носителем в теплообменнике.
211
5.4.1. Моделирование тепловых контактов в кондуктивных цепях
Структура теплового контакта изображена на рис. 5.27. В контакте
тепло от нагретой поверхности к холодной передается теплопроводно-
стью фактического контакта 1 и среды
2, заполняющей микронеровности по-
верхностей. Эффективность теплопе-
редачи излучением ввиду малой разно-
сти температур между нагретой и хо-
лодной поверхностями низка. Поэтому
теплопередача излучением через среду
не учитывается.
Рис. 5.27. Контакт плоских
поверхностей:
1 — контакт; 2 — среда
Предполагается, что пятна фактиче-
ского контакта контактирующих повер-
хностей распределены равномерно по
всей поверхности контакта. Все пятна
имеют форму круга с одним и тем же
радиусом, не изменяющимся при изме-
нении нагрузки. Термическое сопро-
тивление окисной пленки на контактирующих поверхностях мало.
Тепловое сопротивление контакта
Rк = Р/Δtк=1/(σм+σс), (5.42)
где Р — тепловой поток, протекающий через контакт; Δ tK — разность
температур контактирующих поверхностей; σм — тепловая проводи-
мость, определяемая фактическими контактами; σс — тепловая прово-
димость среды.
Удельное (отнесенное к площади) сопротивление фактического
контакта
(5-43)
где φ— коэффициент стягивания теплового потока к пятнам фактиче-
ского контакта; λм = 2λ,1λ-2/(λ,1λ2) — эквивалентный коэффициент теплопроводности фактического контакта (λ1 , λ 2 — коэффициенты теплопроводности материалов); η = S ФК/S к— относительная площадь фактического контакта.
Определение параметров η и φ представляет собой сложную зада-
чу. Поэтому при расчете удельного сопротивления фактического кон-
0 8
такта R м. уд находят отношение η/φ=(рВ/Е)0.8 , где р — удельное
212
Рис. 5.28. График зависимости
коэффициента В от шероховатости
контактирующих поверхностей
эффициент, характеризующий
геометрические свойства по-
верхностей; Е — модуль упру-
гости материала. Выражение
для отношения η/φ справед-
ливо для поверхностей с чис-
тотой обработки от 3-го до
10-го класса, материалов с мо-
дулем упругости Е > 1010 Па и
при относительных нагрузках
на контактных поверхностях
р/Е=5•10-6...5•10-4. Значение коэффи
циента В находят из графика рис.5.28.
После подстановки в формулу (5.43) выражения для η/φ формула
расчета удельного сопротивления фактического контакта принимает
вид
Rм.уд=10-4-[2.12λM(рВ/Е)0.8]-1м2К/Вт.
Тепловая проводимость прослойки межконтактной среды σ с. уд =
= λС/δэкв , где λС — коэффициент теплопроводности среды; δэкв=
=(hСР1+hСР2)(1-mh) — эквивалентное расстояние между контактирующими поверхностями; hСР1 и hСР2 — средние высоты микронеровностей контактирующих поверхностей; т h — коэффициент заполнения профиля микронеровностей.
Значение ( 1 -т h ) находят с помощью графика рис. 5.29.
После того как величины R м. уд
и σС. УД определены, можно найти тепловую проводимость контакта
σк = (1/R м.уд + σс.уд)Sк.
где S к — площадь контакта.
Рис. 5.29. Зависимость коэффициента
(1 - m h) от суммы средних высот микро-
неровностей
Таким образом, величина теп-
ловой проводимости контакта за-
висит от коэффициентов тепло-
проводности материалов контакти-
рующих поверхностей, теплофизи-
ческих свойств межконтактной
213
среды, качества обработки контактирующих поверхностей, удельного
давления в контакте и площади контакта.
Для металлических поверхностей удельная тепловая проводимость
контакта определяется физико-механическими свойствами материа-
лов, чистотой обработки контактирующих поверхностей и удельным
давлением. При удельном давлении более 2000 Н/см2 , что характерно,
например, для резьбовых соединений, удельная тепловая проводи-
мость контакта практически не зависит от давления. Значения удель-
ной тепловой проводимости для некоторых контактирующих материа-
лов с шероховатостью поверхности R z = 20 и удельным давлением в
контакте 1000 Н/см2 приведены в табл. 5.8.
Таблица 5.8
| Материал контактирующих пар | σуд•104, Вт/(м2∙К) |
| Медь — алюминий | 12,5 |
| Медь — медь | 10 |
| Медь — латунь | 5,5 |
| Медь — сплав Д16Т | 5,0 |
| Сплав Д16Т — сплав Д16Т | 4,0 |
| Сталь — медь | 1,2 |
| Сталь — сплав Д16 | 0,83 |
| Сталь — сталь | 1,5 |
| Сталь — сталь (резьбовое соединение) | 0,17 |
| Металл — краска — металл | 0,05 |
| Металл — стекло | 3... 6,4 |
Используя данные табл. 5.8, можно для приведенных пар контакти-
рующих поверхностей провести оценку тепловой проводимости контакта , как σК =σУД. •SK где SK — площадь поверхности контакта.
5.4.2. Конструкции контактов в кондуктивных системах охлаждения
Кондуктивные цепи передачи тепла содержат два вида тепловых
контактов: неразъемные и разъемные.
Неразъемные тепловые контакты характерны для конструкций фун-
кциональных ячеек и представляют собой звено теплопередачи от теп-
ловыделяющего элемента к теплоотводящей шине. Тепловой контакт
обычно обеспечивается за счёт пайки, сварки и склеивания мест соеди-
214
нений, а также с помощью заклепок и винтов. В последних случаях для
уменьшения теплового сопротивления рекомендуется заполнять кон-
такты теплопроводящими пастами (например, КПТ-8) или клеями, ис-
пользовать в контактах пластичные прокладки из меди, свинца и алю-
миния. Применение теплопроводящих паст эффективно при шерохова-
тости контактирующих поверхностей выше R Z= 20 и позволяет снять
зависимость теплового сопротивления контакта от удельного давле-
ния.
В конструкциях функциональных ячеек на интегральных микросхе-
мах неразъемные тепловые контакты образуют корпуса микросхем с
теплоотводящими шинами.
Рис. 5.30. Установка микросхемы на
теплоотводящую шину
Вариант установки микросхемы в
корпусе типа 4 на теплоотводящую
шину показан на рис. 5.30, Теплоотво-
дящая шина 4 монтируется на печат-
ной плате 3 со стороны расположения
контактных площадок для пайки вы-
водов микросхем. Микросхема 1 при-
клеивается к шине, выводы микросхе-
мы распаиваются на контактные пло-
щадки 2 печатной платы. Материалом для теплоотводящих шин и кондуктивных теплостоков в виде металлических оснований служат сплавы алюминия, медь и ее сплавы. Применение теплоотводящих шин и металлических оснований позволяет снизить перегрев корпусов микросхем при естественном воздушном охлаждении конструкций приблизительно на (10...20)%. Для достиженияуказанного эффекта толщина шин и
оснований из сплавов алюминия должна быть не менее 1 мм, из меди и ее сплавов — не менее 0,5 мм.
Рис. 5.31. Установка микросхем на
металлические основания:
а — микросхема в корпусе типа 1;
б — микросхема в корпусе типа 4
Установка микросхем в корпусах
типов 1 и 4 на металлические основа-
ния производится согласно рис. 5.31.
Основание наряду с функцией кон-
дуктивного теплостока обычно вы-
полняет роль несущего элемента кон-
струкции. На основании закрепляется
печатная плата 2, пайка выводов мик-
росхем производится в отверстиях
(рис. 5.31,а) или окнах (рис. 5.31,6),
выполненных в основании. Как и в
случае с теплоотводящей шиной,
215
микросхемы для уменьшения теплового сопротивления между основа-
нием и корпусами устанавливаются на основании с помощью клея. Ве-
личина теплового сопротивления контакта зависит от теплопроводно-
сти клея. При увеличении коэффициента теплопроводности клея от
0,2 до 1,8 Вт/(м • К) перегрев микросхем, установленных на алюминие-
вых основаниях, снижается приблизительно на 10%, на медных основа-
ниях — на 23%.
Кондуктивные теплостоки в виде металлических рамок с планками
и оснований используются в конструкциях функциональных ячеек
цифровых РЭС на бескорпусных микросборках Микросборки закреп-
ляются на планках металлических рамок (конструкции односторонней
и сдвоенной функциональных ячеек) и основаниях (двухсторонняя
функциональная ячейка) с помощью клея.
В конструкциях СВЧ-узлов подложки микросборок выполняются из
материалов с высоким коэффициентом теплопроводности (поликор,
брокерит-9) и крепятся к основанию-теплоотводу или с помощью пай-
ки по металлизированной поверхности подложки, или одним из меха-
нических способов, обеспечивающих надежный тепловой электриче-
ский контакт.
Рис. 5.32. Фрагмент
конструкции СВЧ-устройства
на микросборках
Фрагмент конструкции СВЧ-устройст-
ва на микросборках приведен на рис. 5.32.
Бескорпусные СВЧ-микросборки 1 припа-
иваются к основанию — теплоотводу 3.
Мощный транзистор 2 размещается в спе-
циальном углублении непосредственно на
основании и закрепляется с помощью пай-
ки по металлизированной поверхности
подложки.
Разъемные тепловые контакты (тепло-
вые разъемы) обеспечивают сток тепла с
тепловых шин и металлических оснований
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
