Н.С. Шляпников - учебное пособие (560564), страница 16
Текст из файла (страница 16)
.10%), а для закона степени 1/3 не меняется. Поэтомупредыдущее выражение можно записать в виде Вр= 1/k . Зависимость Bp=f(Вv) , где Вv=V1/Vo=вk13, построенная по точкам, представлена рис.4.17. Из графика видно, что приизменении объема в 10 раз в сторону увеличения или уменьшения удельная мощностьрассеяния, в том числе и допустимая, изменяется лишь в два раза (а не в 10 раз) вобратную сторону. Этим и объясняется ошибка в оценке возможных измененийдопустимой тепловой напряженности по общей формуле, так как главным факторомявляется не сам объем, а отношение площади теплопередачи к объему, т.е S/V. Поэтомудля практических расчетов на рис.
4.18 приведена зависимость этого отношения отобъемов блоков РЭС.Оценим количественное влияние формы блока на удельную мощность рассеяния. Дляэтого кубическую форму блока будем либо «вытягивать» в столбик, либо «сжимать» вболее плоскую (планарную) пластину. Второй случай на практике более реален, причемпластина может иметь как квадратную, так и прямоугольную формы.
Для простотывыводов выберем квадратную форму плоского блока — панель. Введем понятиекоэффициентапланарности, отражающего степень плоскости конструкции, как k2 = а6./h', где а6 —сторона куба; h' — высота панели (рис. 4.19). При этом объемыкуба и панели равны. Откуда а6S0 = h'S, и k2 = S, / S0. Поскольку S1 > So,то при увеличении коэффициента планарности должна возрасти допустимая мощностьрассеяния в блоке, так как с большей площади теплоотдачи в среду может быть переданабольшая мощность рассеяния.Оценим это количественно.
Обозначим увеличение стороны верхнейграни панели через k3 = а6 / а6 . Тогда общая площадь теплоотдачи панелиИз равенства объемов находим, что заменив k3 на k2получимввыражении дляплощади,Увеличение удельной мощности рассеяния В'р за счетперехода от кубической формы блока к панельной будет равно увеличению площадитеплоотдачи этих форм, т.е.Рис. 4.17. Зависимость вариации мощности рассеяния блока от вариации его объемаРис. 4.18. Зависимость отношения площади теплоотдачи блока к его объему от объемаблокаРис.
4.19. К определению коэффициента планарносги конструкцииПо этой формуле получена зависимость выигрыша в удельной мощности рассеяния (еевариация В'р) от степени планарносги формы блоков РЭС. Приведенные вышезависимости имеют непосредственное практическое значение при выборе рациональныхобъемов и формы блоков РЭС.Пример. Требуется найти минимально допустимые габариты блока, если известно, чтоk2 = 3, At= 40 °С при tmax = 60 °С, ак+ал = 0,12 Вт/(дм2, 0С), Ро = 40Вт.Принимаем, что 80% потребляемой мощности рассеяния переходит в тепловуюэнергию, или Ррасс =32 Вт. Определим допустимую мощность рассеяния для блокакубической формы. Из графика на рис. 4.20 для k2 = 3 находим В'р=1,39 , тогда Ррасс.к=32/1,39 = 23 Вт. Удельная мощность рассеяния в блоке Руо.расс =23/V.
Допустимаяудельная мощность рассеяния Руд.расс.доп. = 0,1240 S/V . По графику 'рис. 4.181 методомпоследовательных приближений находим, что для выполнения условия Руд.расс =Руд.расс.доп необходим объем V= 0,73 дм3 , при котором S/V = 6,6 1/дм и Руд.расс = 31,5Вт/дм3. Сторона куба равна а6= NV = 0,9 дм = 90 мм. Высота блока h' = a6/k2 =30 мм, асторона куба равна a6 = Nk2 a6 = 1,73-90 =156 мм.
Искомые(минимально допустимые) габариты блока: 156 х 156 х 30 мм. При наличииунифицированных типоразмеров блоков выбирается ближайший типоразмер, при этомстороны верхней грани могут корректироваться таким образом, чтобы ее площадьоставалась примерно постоянной; например, размеры 156 х 156 мм могут быть замененына 420 х 57 мм. Это возможно по той причине, что результаты по расчету В'р для панелейквадратной и прямоугольной форм мало различаются между собой (кривая 2 на рис. 4.20).Рис.
4.20. Зависимости вариации мощности рассеяния блока от коэффициентаплаяарности: 1 — для панели; 2— для балкиРассмотрим далее влияние объема и формы блоков на вибропрочность конструкций.Оценка этого влияния может характеризоваться изменением собственной частоты /оконструкции блока. Поскольку блок РЭС представляет собой совокупность (систему)элементов конструкции, имеющих различные массы, формы, размеры и способызакрепления, то каждый такой элемент или их сочетание (подсистема) обладает своейсобственной частотой механических колебаний при резонансе, причем наиболее опаснойиз них является самая низкая, которая обычно характерна для плоского,крупноформатного (или массивного) и слабо закрепленного элемента.
Наиболееопасными по вибропрочности будут функциональные ячейки и, в частности, их несущиеплоские основания (печатные платы, рамки).В общем случае влияние объема блока РЭС (без амортизации) может быть определеноследующим образом: чем меньше объем блока, а следовательно и его масса, тем вышесобственная частота конструкции и ее вибропрочность. Это подтверждается формулойжесткость конструкции; т — ее масса. Однако детально конкретизировать этузависимость не представляется возможным, поскольку все определяется ФЯ и ихжесткостью закрепления.
Для одного и того же объема блока варианты ФЯ и ихзакреплений могут быть самыми различными. Поэтому влияние объема и формы блока насобственную частоту может быть оценено косвенно через размер длинной стороны ФЯ,входящий в основную формулу собственной частоты для пластиныгде kM ,kv — коэффициенты материала и весовой нагрузки пластины; С — частотнаяпостоянная, зависящая от формы ячейки и способа закрепления; h и а — толщина идлинная сторона пластины, см. При изменении объема или формы блока меняется лишьсторона а и ее отношение к меньшей стороне b , а также количество ячеек. Величины kM,kv С и h остаются, как правило, постоянными.
Для определения зависимости вариациисобственной частоты В/о от коэффициента планарности рассмотрим по аналогии спредыдущим случаем отношения собственных частот для номинального и i-го вариантов,а именноЭта зависимость приведена графически на рис.4.21.Рис.4.21. Зависимость вариации собственной частоты конструкции от коэффициентапланарностиПример. Для блока РЭС на печатных платах из стеклотекстолита (р = 2,47 г/см3, Е= 33109 Па) с объемом, найденным в предыдущем примере, определить допустимое значениекоэффициента планарности и габариты блока, если заданы/о, =300 Гц, h = 1 мм , kB=0,8, С= 86 и найдена величина Км= 0,72.Считаем, что блок имеет кубическую' форму со стороной a6 = 90 мм (см.
примервыше). Сторону квадратной ФЯ принимаем равной а = 75 мм (с учетом стенок корпуса изазора между ними и торцами пакета ячеек). Тогда/о = 0,72 * 0,8 * 86 * 0,1 * 104/7,52 =880,64 Гц, а fоfо, = 880,64 / 300 = 2,93. Таким образом, допустимое значениекоэффициента планарности k2 <. 2,93.
В предыдущем примере k2 =3 и выбраныминимально допустимые размеры блока из условия обеспечения допустимой тепловойнапряженности, т.е. блок был более плоским. Однако если учитывать еще и требованиявибропрочности, то его размеры можно скорректировать следующим образомНовые размеры 154 х 154 х 30,7 мм мало отличаются от предыдущих, однако вдругих случаях, когда k2 по одному критерию существенно отличается от k2 по другомукритерию, возможны различные варианты габаритных размеров и их оптимизация.4.5. Выбор оптимальной формы блока РЭС по нескольким критериям качестваКак видно из рассмотренных примеров, выбор формы блока и его коэффициентапланарности неоднозначно зависит от рассмотренных двух показателей качества,обеспечивающих его нормальную работу в условиях эксплуатации, и надо выбрать такоезначение k2, при котором оба условия по ТЗ удовлетворялись бы.
Кроме того, приконструировании блоков необходимо подбирать размеры и форму ФЯ таким образом,чтобы размеры отвечали рекомендуемому ряду, например для печатных плат, а формаобеспечивала бы полное заполнение ее площади без «пустых мест». Это требованиеявляется дополнительным условием выбора оптимальной формы и в то же времяограничением в выборе вариантов. Другим дополнительным требованием (критерием)является условие получения в конструкции блока возможно большей плотности упаковкиэлементов в объеме или при выбранной степени интеграции ИС — минимальногокоэффициента дезинтеграции объема, так как у6=Уис/qv Заметим, что чем больше форматячейки, тем более рационально используется площадь, тем меньше коэффициентдезинтеграции площади, а следовательно и объема, тем выше плотность упаковки в блоке.Так, например, для одного и того же объема цифрового блока на печатных платах скорпусами ИС типа 401.14-1 были рассчитаны коэффициенты дезинтеграции объема подвум вариантам, когда блок состоял из 27 мелкоформатных ячеек (qv=6,3) и шестикрупноформатных (qv =5,2).
Изменение qv , а следовательно и плотности упаковки,составило 21%, что весьма существенно, так как объем увеличился на одну пятую.Таким образом, при выборе оптимальной формы надо учитывать уже четыре критерияпри конструировании блоков РЭС на печатных платах. При выполнении блоков набескорпусных МСБ, вводятся еще дополнительные критерии, связанные с конструкцией итехнологией изготовления рамки.Возьмем для общего случая конструирования блока РЭС на печатных платах тринаиболее важных критерия, а именно: тепловую напряженность, вибропрочность иплотность упаковки, и рассмотрим общий ход решения задачи.Пусть заданы по ТЗК следующие исходные данные: сложность с РЭС при количествеИС NИС , тип корпуса ИС, число задействованных выводов nвые, потребляемая мощностьмикросхемы Рис и допустимая тепловая напряженность блока Руd расc Tз , материал итолщина Ann печатной платы, диапазон частот вибраций fmin....fmax и допустимаяперегрузка пTз , тип компоновочной схемы ФЯ, по которой определяется коэффициентдинамичности M, диапазон температур среды tmin....tmaxМожет быть предложен следующий порядок проведения расчетов:1.
По заданной сложности РЭС выбирают пять — шесть вариантов количества ячеек внем так, чтобы в каждом варианте ячейки не имели свободных мест, т.е. NMC = nя Nя , гдепя — количество ячеек, Nя —количество ИС в ячейке: Nя=nx Пу , где пx Пу — количествоИС в строке и столбце (целые числа). При машинном способе расчета может бытьвыбрано свыше 10" вариантов для получения более плавных графических зависимостей.2. Рассчитывают требуемые размеры Lx, Ly печатных плат ФЯ для каждого вариантапо формулам:где txty— шаги установки ИС по осям Х и Y (выбирают по табл. 4.1 в зависимости от типакорпуса и числа задействованных выводов); txty— размеры корпуса ИС по справочнымданным; х1 y1 , х2 , у2 — краевые поля (выбирают в зависимости от типа корпуса, толщиныпечатной платы, типа соединителя и контрольной колодки в ячейке).3.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
