CC BY
87
Горячев Н.В., Лысенко А.В., Граб И.Д., Юрков Н.К.
Пензенский государственный университет
ПРОГРАММА ИНЖЕНЕРНОГО РАСЧЁТА ТЕМПЕРАТУРЫ ПЕРЕГРЕВА КРИСТАЛЛА ЭЛЕКТРОРАДИОКОМПОНЕНТА И ЕГО ТЕПЛООТВОДА
Важнейшей задачей при разработке электронных средств (ЭС) является обеспечение его нормального теплового режима. Нормальным тепловым режимом принято считать такой режим, при котором температура каждого из элементов ЭС находится в диапазоне значений допустимых по техническим условиям (ТУ) на данный элемент. Исходя из этого, крайне важно обеспечить расчёт теплоотводов и систем охлаждения (СО) каждого из теплонагруженных элементов ЭС. Как правило целью такого расчёта является выбор конкретного типа теплоотвода из существующей номенклатуры того или иного производителя. Выбор теплоотвода можно провести основываясь на тепловом сопротивлении теплоотвода, т. к. этот параметр хорошо характеризует возможности теплоотвода. Проводить тепловой расчёт удобно используя закон Ома. При этом по аналогии, напряжение заменяется на температуру (T ), ток на мощность ( P ), а сопротивление заменяется тепловым сопротивлением ( Rq ) с размерностью °С/Ватт. Таким образом, тепловой аналог закона Ома имеет вид:
T = P • Rq (і)
Итак, в случае теплового расчёта полупроводникового электрорадиоэлемента (ЭРЭ), для обеспечения его нормального теплового режима необходимо чтобы температур кристалла ( Tj ) не превышала допустимую, а в лучшем случае была ниже на 25%.Для примера будем считать, что полупроводниковый ЭРЭ является интегральной микросхемой (ИМ) в стандартном корпусе с металлическим фланцем ТО-220. При отсутствии теплоотвода тепловая схема ИМ примет вид показанный на рисунке 1.
Рисунок 1 - Тепловая схема ИМ без теплоотвода
Tj - температура кристалла; P - мощность рассеиваемая кристаллом; Rqj _А - тепловое
сопротивление криссталл-окружающая среда; TA - температура окружающей среды.
Пусть рассеиваемая кристаллом мощность составляет 5 Ватт, Rqj_А = 50 °С/Ватт, а температура окружающей среды 25°С. Тогда, согласно (1) температура кристалла равна:
Tj = (P • Rqj_а) + Ta = (50 • 5) + 25 = 275 °С (2)
Расчёт (2) показывает, что температура кристалла значительно превышает температуру допустимую для полупроводника. Изменить ситуацию поможет установка ЭРЭ на теплоотвод (рисунок 2).
Рисунок 2 - Установка ЭРЭ на теплоотвод
При установке ЭРЭ на теплоотвод претерпит изменения тепловая схема.В неё необходимо добавить следующие тепловые сопротивления: Rqj_c - тепловое сопротивление кристалл - корпус. Параметр указывается в технических характеристиках ЭРЭ; Rqq_н - тепловое сопротивление корпус-теплоотвод;
Rqh - А - тепловое сопротивление теплоотвод-окружающая среда. Параметр приводится в технической документации на теплоотвод.
Особое внимание из перечисленных выше сопротивлений следует уделять Rqq_н . Это сопротивление
зависит от теплопроводности прокладки между корпусом ЭРЭ и теплоотводом. Такая прокладка необходима т. к. разная степень чистоты обработки поверхностей металлического фланца ЭРЭ и теплоотвода приводит к возникновению воздушного зазора между ними рисунок 3. Как известно воздух обладает невысокой теплопроводностью поэтому необходимо заполнить зазор каким либо материалом, обладающим высоким коэффициентом теплопроводности.
Зазор
ЗРЭ Поверхность
теплоотвода
Рисунок 3 - Воздушный зазор между корпусом ЭРЭ и теплоотводом
В качестве прокладки может использоваться слюда, теплопроводная электроизоляционная силиконовая прокладка, а также теплопроводная паста или клей заполняющие воздушный зазор. Современные силиконовые прокладки, в частности широко известные "Номакон" марки КПТД обладают коэффициентом
теплопроводности при разных условиях эксплуатации 0,8 -1,5Вт/(м*°С) [1] . Наряду с силиконовыми прокладками часто используются теплопроводные пасты. Так самая распространенная в России паста КПТ-8 имеет коэффициент теплопроводности 0,75 Вт/(м*°С). При известном значении коэффициента теплопроводности несложно получить тепловое сопротивление корпус-теплоотвод:
L
QC - H
Я-S
(3)
где L - толщина прокладки; Я - коэффициент теплопроводности; S - площадь одной стороны прокладки .
Тепловая схема при установке ИМ на теплоотвод примет вид показанный на рисунке 4.
Рисунок 4 - Тепловая схема ИМ установленой на теплоотвод Тн - температура теплоотвода Исходя из (1) температура кристалла для схемы показанной на рисунке 4 определяется как:
+ RQH - A ) + TA .
TJ = ( P ■ Rqj -c + Rqc -H
Таким образом, найдём Tj и Тн при техже исходных данных что и в (2), дополнительно приняв Rqj -c - 3°C/Ватт, Rqh - a - 4^/Ватт, Rqc-h - 0,4° C/Ватт:
TJ = (5 - 3 + 0,4 + 4) + 25 = 62 °C (3)
Из расчёта (3) видно, что температура кристалла ЭРЭ установленного на теплоотвод значительно ниже, чем без него и составляет 62°C. Такое значение температуры позволяет считать, что полупроводниковый ЭРЭ работает в нормальном температурном режиме.Таким образом, можно сказать что при инженерном расчёте температуры ЭРЭ определяющим является условие:
Tj <Tj max - 25%
Где Tjmax - максимально допустимая температура кристалла ЭРЭ указанная в ТУ.
Используя тепловую схему, показанную на рисунке 4 несложно рассчитать и температуру перегрева теплоотвода, которая составит:
TH = P - Rqh-A + TA = 5 - 4 + 25 = 45 °C (4)
Значение температуры перегрева теплоотвода необходимо для последующего расчёта теплового режима элементов установленных в непосредственной близости от теплоотвода.
Приведённый выше тепловой расчёт был автоматизирован с помощью разработанной компьютерной программы, алгоритм которой показан на рисунке 5.
Рисунок 5 - Алгоритм программы расчёта температуры перегрева
Программа инженерного расчёта написана на объектно-ориентированном языке программирования ObjectPascal, имеет интуитивно понятный интерфейс. Главное окно программы показано на рисунке 6.
Рисунок 6 - Главное окно программы
Пользуясь результатом работы программы конструктором принимается решение о выборе типа теплоотвода с заданным Rqh-a • Такой выбор осуществляется из номенклатуры унифицированных типов теплоотводов выпускаемых промышленностью. Если ни один из существующих типов не подходит, на основе требуемого значения Rqh-A проводится расчёт геометрическим параметров теплоотвода в соответствии с методикой описанной в [2] . Разработанная программа успешно апробирована. В ходе апробации был сделан вывод, что программа инженерного расчёта, при соответствующей модернизации, способна послужить основой подсистемы автоматизированного выбора теплоотвода которая является составной ча-стьюпредложенной в [3] автоматизированной лаборатории исследования теплоотводов.
ЛИТЕРАТУРА
1. НОМАКОН - Теплопроводящие электроизоляционные эластичные силиконовые листовые материалы, прокладки и подложки НОМАКОН™ КПТД-2, КПТД-2М : [Электронный ресурс]. - Режим доступа : http://www.nterm.ru/production/kptd-ru/list/
2. Дульнев Г.Н. Тепло- и массообмен в радиоэлектронной аппаратуре: Учебник для вузов по спец.
"Конструир. и произв. радиоаппарартуры". - М.: Высш. шк., 1984. - 247 с.
3. Горячев Н. В. Структура автоматизированной лаборатории исследования теплоотводов / Н. В. Горячев, И. Д. Граб, А. В. Лысенко, Н. К. Юрков // Надежность и качество - 2011: труды Международного симпозиума: в 2 т. / Под ред. Н. К. Юркова. - Пенза : Изд-во ПГУ. - 2011. - 2 т. - С. 119-120.
