Глава 3 тепловой режим конструкций рэс

§ 3.1. Влияние теплового режима на эффективность и качество конструкций рэсг

Тепловой режим характеризуется совокупностью температур всех элементов, из которых состоит РЭС, т. е. его температурным полем (рис. 3.1). Основными тенденциями эволюции современных РЭС в микроэлектронном исполнении являются увеличение их сложности и снижение габаритов, с одной стороны, и увеличение требований к стабильности параметров—с другой. Эти тенденции противоречивы, так как увеличение сложности и уменьшение габаритов приводят к увеличению напряженности теплового режима, а требование обеспечения стабильности параметров системы связано с необходимостью его облегчения.

Увеличение напряженности теплового режима характеризуется плотностью теплового потока, который в конце 60-х годов составлял 0,1 ...0,3 Вт/см², в 70-е годы—0,5... 1,0 Вт/см², а в перспективе к 2000 г. ожидается, что он составит 8... 10 Вт/см². Эффективность и качество конструкций РЭС в значительной степени зависят от их способности отводить теплоту. Так, удельная мощность на единицу объема и массы составляет для источников вторичного электропитания на дискретных элементах и печатных платах 20 ...30 Вт/дм³ и 25 ...30 Вт/кг соответственно, на микросборках в металлическом корпусе —100... 150 Вт/дм³ и 60...80 Вт/кг и на основе металлических подложек, охлаждаемых жидкостью,-—200...300 Вт/дм³ и 180...300 Вт/кг. Эти данные приведены без учета параметров системы охлаждения, масса, габариты, потребляемая мощность, стоимость, надежность которых могут быть соизмеримы с параметрами охлаждаемого источника питания. В процессе производства, хранения и эксплуатации РЭС может подвергаться воздействию положительных и отрицательных температур, обусловленных влиянием окружающей среды, объекта установки и тепловыделения самого РЭС. В наземных условиях температура окружающей среды может меняться от —88 °С (станция Мирный в Антарктиде) до + 90 °С (нагрев темных поверхностей в странах с жарким и сухим климатом). Диапазон изменения температуры в атмосфере на высотах до 80 км (рис. 3.2) может достигать + 100°С. Для космоса этот диапазон еще шире: от —150 до +300 °С, что является результатом прямого и отраженного от Земли излучения Солнца, собственного излучения Земли, космического излучения, экранирования от излучения планет и частей объекта установки РЭС.

Рис. 3.1. Температурное поле РЭС (цифрами указана температура в градусах Цельсия

Рис. 3.2. Изменение температуры Рис. 3.3. Изменение интенсивности

атмосферного воздуха в зависи отказов X с температурой для

мости от высоты РЭСс воздушным охлаждением

(заштрихована зона разброса параметров)

Диапазоны изменения температуры внутри объектов, где установлены РЭС, достигают в отапливаемых помещениях + 5... +50 °С; на наземных подвижных объектах — 60... +60 °С; на самолетах — 70... +150 °С и т.д. Кроме того, на объекте установки аппаратуры могут быть локальные источники тепла (двигатели) и холода (баки с охлажденным горючим, резервуары с охладителем для повышения чувствительности фотоприемников). Само РЭС является, как правило, источником теплоты вследствие того, что его КПД менее 100%. КПД приемника на электро­вакуумных лампах составляет менее 1%, модулей активной фазированной антенной решетки — около 1... 1,5%, транзистор­ного усилителя — 50 ...60%, т.е. значительное количество под­веденной к аппаратуре энергии выделяется в виде теплоты. Если эта энергия не рассеивается в элементах конструкции илиокружающем пространстве, то повышаются температура устрой­ства и интенсивность отказов (например, для блоков РЭС с воздушным охлаждением при изменении температуры от 40 до 70° С интенсивность отказов увеличивается в 2... 6 раз; рис. 3.3). Если температура в любой точке температурного поля РЭС не выходит за допустимые (с точки зрения надежности элементов) пределы, то тепловой режим называется нормальным.

Тепловой режим характеризуется напряженностью и стацио­нарностью. Если плотность теплового потока не превышает 5 мВт/см² (перегрев поверхности аппаратуры относительно окружающей среды не более 0,5 °С), то режим считается нетеплонапряженным. В теплонапряженном режиме требуется обеспечение нормального теплового режима, например за счет естественной конвекции.

Стационарный тепловой режим характеризуется неизмен­ностью температурного поля во времени вследствие наступления термодинамического баланса между источниками и поглотителями тепловой энергии.

Нестационарный тепловой режим характеризуется зависимостью температурного поля от времени. Этот режим имеет место при быстром изменении подведенной к РЭС мощности Р (включении и выключении, разовых и повторно-кратковременных режимах работы), когда часть ее идет на нагрев конструкции ( ), часть рассеивается в окружающем пространстве ( ) и часть идет на обеспечение полезных функций РЭС ( ). Баланс энергии в этом случае описывается соотношением . Тепловой режим становится стационарным, когда в результате установившегося термодинамического равно­весия между окружающей средой и изделием нагрев изделия прекращается = 0) и соотношение для баланса энергии имеет вид .

Воздействие отрицательных и положительных температур может снизить надежность устройства. Различают параметрическую надежность, характеризуемую постепенным отклонением выходных параметров от номинальных значений, и надежность, характеризуемую интенсивностью внезапных (катастрофических) отказов.

Причинами постепенных отказов, вызванных тепловыми воздействиями, являются: снижение изоляционных свойств материалов; увеличение токов утечки; снижение пробивного напряжения; изменение коэффициента усиления и нулевого тока коллектора транзистора; изменение параметров магнитных сердечников (снижение индуктивности насыщения при повышении температуры или пропадание магнитных свойств при достижении точки Кюри); изменение емкости конденсаторов, электрической прочности, потерь; изменение сопротивлений резисторов; увеличение тепловых шумов в резисторах и транзисторах и т. д. Все эти явления могут привести к искажению сигналов до уровня, при котором нормальное функционирование РЭС становится невозможным.

Внезапные отказы РЭС, вызванные изменением температуры, обусловлены: нарушением целостности элементов конструкции вследствие различия ТКЛР ее материалов (обрыв проводников; растрескивание металлостеклянных спаев; отслаивание и растрес­кивание подложек; появление внутренних напряжений, приводящих к нарушению паяных, сварных и клеевых соединений, растрески­ванию компаундов; заклинивание кинематических пар и т. д.); замерзанием влаги, приводящим к расширению микротрещин в подложках; отслаиванием печатных проводников, расслаиванием МПП; конденсацией влаги, создающей закорачивающие пере­мычки и условия для возникновения электрохимической коррозии; затвердеванием или размягчением резины, что снижает качество герметизирующих прокладок и элементов амортизации; измене­нием вязкости смазок; выделением газообразных составляющих из диэлектрических конструкционных материалов, что ведет к снижению электрической прочности и образованию агрессивных сред; старением припоев (перекристаллизация, образование пор) и т. д.

Электрорадиоэлементы и механические части РЭС характеризуются термостойкостью, под которой понимается способность материалов и компонентов кратковременно выдерживать воздействие высоких и низких температур, а также резких изменений температуры (термоударов). Термостойкость опреде­ляют по температуре, соответствующей началу существенных изменений свойств или параметров компонентов, обусловленных различными физико-химическими процессами. Например, термостойкость p-n-переходов транзистора ограничена при высоких температурах собственной проводимостью кристалла полупровод­ника, а также явлением кумулятивного разогрева, приводящего к недопустимому возрастанию нулевого тока коллектора и пробою p-n-перехода. Считается, что допустимая температура для германиевого перехода составляет 85... 110°С, для кремниевого 125... 150 °С, для непропитанных волокнистых материалов (бумага, картон, натуральный шелк) +90 °С; для материалов из стекловолокна, пропитанного эпоксидными лаками, +133 °С. В тех случаях, когда конструкция не обеспечивает нормального теплового режима обычных элементов, могут быть использованы элементы, работающие в широком температурном диапазоне благодаря введению устройств термокомпенсации. Это усложняет электрическую схему и конструкцию, ухудшает энергетические и массогабаритные параметры, стоимость РЭС и не всегда обес­печивает требуемую надежность.