Назаров_Конструирование_РЭС (560499), страница 36
Текст из файла (страница 36)
5.26. Тепло, выделяемое источником, через неразъемный тепловой контакт передается на теплоотвод (тепловую шину), с которой через тепловой разъем поступает на тепловойсток.Рис. 5.26. Структура кондуктивной цепи теплопередачиВ идеальной кондуктивной системе теплоемкость стока должнабыть бесконечно большой. Поскольку такие теплостоки не реализуемыпрактически, в реальных конструкциях РЭС кондуктивные цепи теплопередачи, как правило, заканчиваются теплообменниками, отдающимитепло окружающей среде или другому теплоносителю.Высокая эффективность кондуктивных систем охлаждения достигается при малом тепловом сопротивлении цепи теплопередачи междуисточником тепла и окружающей средой.
Поэтому при разработке конструкций РЭС с кондуктивными системами охлаждения прежде всегонеобходимо обратить внимание на тепловые контакты, конструкциютепловой шины и теплообмен с окружающей средой или иным теплоносителем в теплообменнике.2115.4.1. Моделирование тепловых контактов в кондуктивных цепяхСтруктура теплового контакта изображена на рис. 5.27. В контактетепло от нагретой поверхности к холодной передается теплопроводностью фактического контакта 1 и среды2, заполняющей микронеровности поверхностей.Эффективностьтеплопередачи излучением ввиду малой разности температур между нагретой и холодной поверхностями низка. Поэтомутеплопередача излучением через средуне учитывается.Предполагается, что пятна фактического контакта контактирующих поверхностей распределены равномерно повсей поверхности контакта.
Все пятнаРис. 5.27. Контактимеют форму круга с одним и тем жеплоскихповерхностей:радиусом, не изменяющимся при изме1 — контакт; 2 — нении нагрузки. Термическое сопротивление окисной пленки на контактирующих поверхностях мало.Тепловое сопротивление контактаRк = Р/Δtк=1/(σм+σс),(5.42)где Р — тепловой поток, протекающий через контакт; Δ t K — разностьтемператур контактирующих поверхностей; σм — тепловая проводимость, определяемая фактическими контактами; σс — тепловая проводимость среды.Удельное (отнесенное к площади) сопротивление фактическогоконтактаRМ .УД =ϕ• 10 − 4 м 2 К / Вт2.12λ М η(5-43)где φ— коэффициент стягивания теплового потока к пятнам фактического контакта; λм = 2λ,1λ-2/(λ,1λ2) — эквивалентный коэффициенттеплопроводности фактического контакта (λ1 , λ 2 — коэффициентытеплопроводности материалов); η = S ФК/S к— относительная площадьфактического контакта.Определение параметров η и φ представляет собой сложную задачу.
Поэтому при расчете удельного сопротивления фактического кон08такта R м. уд находят отношение η/φ=(рВ/Е)0.8 , где р — удельное212давление в контакте; В — коэффициент, характеризующийгеометрические свойства поверхностей; Е — модуль упругости материала. Выражениедля отношения η/φ справедливо для поверхностей с чистотой обработки от 3-го до10-го класса, материалов с модулем упругости Е > 1010 Па иприотносительныхнагрузках Рис. 5.28.
График зависимостикоэффициента В от шероховатостина контактных поверхностяхконтактирующих поверхностей-6-4р/Е=5•10 ...5•10 . Значение коэффициента В находят из графикарис.5.28.После подстановки в формулу (5.43) выражения для η/φ формуларасчета удельного сопротивления фактического контакта принимаетвидR м.уд = 10 -4-[2.
12 λM (р В/Е )0.8]-1м 2К/ Вт.Тепловая проводимость прослойки межконтактной среды σ с. уд == λС/δэкв , где λС — коэффициент теплопроводности среды; δэкв==(hСР1+hСР2)(1-mh) — эквивалентное расстояние между контактирующимиповерхностями; hСР1 и hСР2 — средние высоты микронеровностейконтактирующих поверхностей; т h — коэффициент заполнения профилямикронеровностей.Значение ( 1 -т h ) находят спомощью графика рис. 5.29.После того как величины R м. уди σ С.
У Допределены, можнонайти тепловую проводимостьконтактаσк = (1/R м.уд + σс.уд)Sк.где S к — площадь контакта.Таким образом, величина тепловой проводимости контакта зависит от коэффициентов теплоРис. 5.29. Зависимостьпроводности материалов контактирующих поверхностей, теплофизи- (1 - m коэффициентаh) от суммы среднихч еских свой ств м ежк онтактн ойвысот микро213среды, качества обработки контактирующих поверхностей, удельногодавления в контакте и площади контакта.Для металлических поверхностей удельная тепловая проводимостьконтакта определяется физико-механическими свойствами материалов, чистотой обработки контактирующих поверхностей и удельнымдавлением. При удельном давлении более 2000 Н/см2 , что характерно,например, для резьбовых соединений, удельная тепловая проводимость контакта практически не зависит от давления. Значения удельной тепловой проводимости для некоторых контактирующих материалов с шероховатостью поверхности R z = 20 и удельным давлением вконтакте 1000 Н/см2 приведены в табл.
5.8.Таблица 5.8Материал контактирующихпарМедь — алюминийМедь — медьМедь — латуньМедь — сплав Д16ТСплав Д16Т — сплав Д16ТСталь — медьСталь — сплав Д16Сталь — стальСталь — сталь (резьбовоесоединение)Металл — краска — металлМеталл — стеклоσуд•104, Вт/(м2∙К)12,5105,55,04,01,20,831,50,170,053... 6,4Используя данные табл. 5.8, можно для приведенных пар контактирующих поверхностей провести оценку тепловой проводимости контакта ,как σК =σУД. •SK где SK — площадь поверхности контакта.5.4.2. Конструкции контактов в кондуктивных системах охлажденияКондуктивные цепи передачи тепла содержат два вида тепловыхконтактов: неразъемные и разъемные.Неразъемные тепловые контакты характерны для конструкций функциональных ячеек и представляют собой звено теплопередачи от тепловыделяющего элемента к теплоотводящей шине.
Тепловой контактобычно обеспечивается за счёт пайки, сварки и склеивания мест соеди214нений, а также с помощью заклепок и винтов. В последних случаях дляуменьшения теплового сопротивления рекомендуется заполнять контакты теплопроводящими пастами (например, КПТ-8) или клеями, использовать в контактах пластичные прокладки из меди, свинца и алюминия.
Применение теплопроводящих паст эффективно при шероховатости контактирующих поверхностей выше R Z= 20 и позволяет снятьзависимость теплового сопротивления контакта от удельного давления.В конструкциях функциональных ячеек на интегральных микросхемах неразъемные тепловые контакты образуют корпуса микросхем степлоотводящими шинами.Вариант установки микросхемы вкорпусе типа 4 на теплоотводящуюшину показан на рис. 5.30, Теплоотводящая шина 4 монтируется на печатной плате 3 со стороны расположенияконтактных площадок для пайки выводов микросхем. Микросхема 1 приРис. 5.30.
Установкаклеивается к шине, выводы микросхемикросхемы намы распаиваются на контактные плотеплоотводящую шинущадки 2 печатной платы. Материаломдля теплоотводящих шин и кондуктивных теплостоков в видеметаллических оснований служат сплавы алюминия, медь и ее сплавы.Применение теплоотводящих шин и металлических оснований позволяетснизить перегрев корпусов микросхем при естественном воздушномохлажденииконструкцийприблизительнона(10...20)%.Длядостиженияуказанногоэффектатолщинашиниоснований из сплавов алюминиядолжна быть не менее 1 мм, из медии ее сплавов — не менее 0,5 мм.Установка микросхем в корпусахтипов 1 и 4 на металлические основания производится согласно рис. 5.31.Основание наряду с функцией кондуктивного теплостока обычно выполняет роль несущего элементаконструкции.
На основании закрепляетсяпечатная плата 2, пайка выводов мик- Рис. 5.31. Установка микросхемросхем производится в отверстиях на металлические основания:(рис. 5.31,а) или окнах (рис. 5.31,6), а — микросхема в корпусе типа 1;выполненных в основании. Как и в б — микросхема в корпусе типа 4случае с теплоотводящей шиной,215микросхемы для уменьшения теплового сопротивления между основанием и корпусами устанавливаются на основании с помощью клея. Величина теплового сопротивления контакта зависит от теплопроводности клея. При увеличении коэффициента теплопроводности клея от0,2 до 1,8 Вт/(м • К) перегрев микросхем, установленных на алюминиевых основаниях, снижается приблизительно на 10%, на медных основаниях — на 23%.Кондуктивные теплостоки в виде металлических рамок с планкамии оснований используются в конструкциях функциональных ячеекцифровых РЭС на бескорпусных микросборках Микросборки закрепляются на планках металлических рамок (конструкции одностороннейи сдвоенной функциональных ячеек) и основаниях (двухсторонняяфункциональная ячейка) с помощью клея.В конструкциях СВЧ-узлов подложки микросборок выполняются изматериалов с высоким коэффициентом теплопроводности (поликор,брокерит-9) и крепятся к основанию-теплоотводу или с помощью пайки по металлизированной поверхности подложки, или одним из механических способов, обеспечивающих надежный тепловой электрический контакт.Фрагмент конструкции СВЧ-устройства на микросборках приведен на рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
