Влияние объема конструкции на тепловую напряженность


В зависимости от назначения, уровня интеграции и объекта установки объем и форма блоков РЭС могут быть различными: объем обычно меняется от одной десятой до  нескольких десятков кубических дециметров, а форма может быть плоской, кубической, прямоугольной или цилиндрической.

От этих двух параметров конструкций блоков в сильной степени зависят такие показатели качества, как допустимая удельная мощность рассеяния (тепловая напряженность) и вибропрочность, во многом определяемая собственной частотой конструкции. Как качественно влияют первые на вторые, известно каждому конструктору; конструктив с меньшим объемом допускает большую тепловую напряженность, чем конструктив с большим объемом; конструктив более плоской формы способен выдержать большую мощность рассеяния, чем куб при равенстве объемов, а показатели вибропрочности при этом будут на много хуже. Это, казалось бы, можно подтвердить и с помощью формул. Например, удельная мощность рассеяния должна зависеть обратно пропорционально от объема, и поэтому, если кристалл ИС с объемом способен рассеивать , т. е. , то блок РЭС, имеющий объем , т. е. в раз больший, должен иметь допустимую тепловую напряженность всего . Результаты же эксперимента дают значение этой величины , т. е. в 250 раз больше. Значит, формальный расчет по указанной формуле нереален, ошибочен.

Поэтому для конкретных конструкторских разработок необходимо иметь более строгие количественные оценки этого влияния, учитывающие все факторы, в том числе и форму блоков.

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

Влияние формы конструкции на тепловую напряженность


Оценим влияние объема блока на удельную мощность рассеяния, считая для простоты выводов форму блока со стороной кубической. Изменение стороны куба в приведет к изменению его объема в раз. Поскольку площадь поверхности куба , а объем , то удельная мощность рассеяния

,

где  , - коэффициенты теплопередачи конвекцией и лучеиспусканием от блока в среду;

- перегрев корпуса блока.

Если принять какой-либо объем блока за номинальный, например , и по отношению к нему оценить изменение (вариацию) удельной мощности рассеяния при изменении (вариации) объема(в раз) для - го варианта, то такая оценка может быть проведена по следующей формуле

,         (2.1)

где , - стороны куба номинального объема - го варианта.

С изменением стороны куба (определяющего размера) коэффициент лучеиспускания не меняется; коэффициент конвекции для закона степени , как показывают расчеты, меняется незначительно (5…10%), а для закона степени не меняется. Поэтому выражение (2.1) можно записать в виде

.

При изменении объема в 10 раз в сторону увеличения или уменьшения удельная мощность рассеяния, и том числе и допустимая, изменяется лишь в два раза (а не в 10 раз) в обратную сторону. Этим и объясняется ошибка в оценке возможных изменений допустимой тепловой напряженности по общей фор муле, так как главным фактором является не сам объем, а отношение площади теплопередачи к объему, т. е..

Оценим количественное влияние формы блока на удельную мощность рассеяния. Для этого кубическую форму блока будем либо “вытягивать” в столбик, либо “сжимать” в более плоскую (планарную) пластину. Второй случай на практике более реален, причем пластина может иметь как квадратную, так и прямоугольную формы. Для простоты выводов выберем квадратную форму плоского блока – панель. Введем понятие коэффициента планарности, отражающего степень плоскости конструкции, как

,

где - сторона куба,

- высота панели.

При этом объемы куба и панели равны. Откуда

и .

Поскольку , то при увеличении коэффициента планарности должна возрасти допустимая мощность рассеяния в блоке, так как с большей площади теплоотдачи в среду может быть передана большая мощность рассеяния.

Оценим это количественно. Обозначим увеличение стороны верхней грани панели через  . Тогда общая площадь теплоотдачи панели

.

Из равенства объемов находим, что

и .

Заменив на в выражении для площади, получим

.

Увеличение удельной мощности рассеяния за счет перехода от кубической формы блока к панельной будет равно увеличению площади теплоотдачи этих форм, т. е.

.                 (2.2)

По этой формуле получена зависимость выигрыша в удельной мощности рассеяния (если ее вариация ) от степени планарности формы блоков РЭА

Пример расчета допустимых габаритов

2.3.1 Требуется найти минимально допустимые габариты блока, если известно, что , при , , .

Принимаем, что 80% потребляемой мощности рассеяния переходит в те­пловую энергию, или . Определим допустимую мощность рассея­ния для блока кубической формы. По формуле (2.2) для находим , тогда . Удельная мощность рассеяния в блоке . Допустимая удельная мощность рассеяния

.

Методом последовательных приближений находим, что для выполнения условия необходим объем , при котором и .

Сторона куба равна . Высота блока , а сторона блока . Искомые (минимально допустимые) габариты блока: . При наличии унифицированных типоразмеров блоков выбирается ближайший типоразмер, при этом стороны верхней грани могут корректироваться таким образом, чтобы площадь оставалась примерно постоянной; например, размеры могут быть заменены на . Это возможно по той причине, что результаты по расчету для панелей квадратной и прямоугольной форм мало различаются между собой.