§ 3.5. Теплоотвод теплопроводностью

Теплопроводность — молекулярный перенос теплоты в сплошной среде, обусловленный разностью температур. В РЭС широко используется теплопроводность твердых тел (несущих конструкций). Блоки РЭС (особенно бортовые) имеют высокий коэффициент заполнения объема и весьма малые внутренние каналы для передачи теплоты конвекцией.

Таблица 3.7 Характеристики тепловых труб

Тип трубы	Теплоноситель	Диапазон температур,	Плотность теплово- го потока		Материал корпу- са и фитиля
Криогенная Низко- темпера-турная	Гелий, аргон, крип- тон, азот, кислород, этан, фреоны Азот Фреоны, аммиак, спирты, ацетон, вода, органические соединения Жидкий аммиак Метиловый спирт Вода	-273...-73 -200...-76 -73.+ 777 -70...+ 60 45...+120 + 5...+ 230	- 0,01 0,1-0,7 0,1...0,3 0,45 0,67	- - 3...15 0,3…3 7,5...10 14,8	Никель, алю-миний, нер- жавеющая сталь 12ХН9Т Медь, никель, нержавеющая сталь 12ХН9Т, керамика

Для планарной конструкции передача теплоты с помощью теплопроводности подчиняющаяся обобщенному закону Фурье, может быть описана линейным уравнением , где — тепловой поток, передаваемый с помощью теплопрово­дности, Вт; —тепловая проводимость; для плоской стенки , Вт/(м²-К); — толщина элемента конструкции стенки, через которую проходит тепловой поток (длина теплоотводящей шины),м; — коэффициент теплопроводности материала стенки, Вт/(м-К); S—площадь поперечного сечения теплового потока, м²; —перепад температур между двумя сторонами стенки, К. Величина, обратная , называется тепловым сопротивлением (м² К/Вт): Коэффициенты теплопроводности раз­личных материалов приведены в табл. 3.8. Если стенка мно­гослойная и плоская, то полное тепловое сопротивление теплопроводности , а тепловая проводимость .Если тепловой контакт с наружных сторон тонкостенной конструкции осуществляется с помощью конвекции, то в расчетах вместо тепловой проводимости используют коэффициент теплопередачи где и — коэффициенты теплоотдачи конвекцией с одной и второй стороны, Вт/(м²-К). При построении тепловой схемы устройства используется величина, называемая удельным тепловым сопротивлением (К/Вт): , где —площадь сечения, через которое распространяется тепловой поток. Удель­ное тепловое сопротивление характеризует, например, тепло­вые параметры корпуса ИС. Так, для керамических корпусов R = 30. ..40 К/Вт, для пластмассовых 55. ..60 К/Вт, т.е. перепад температур для пластмассовых корпусов при одной и той же мощности ИС в два раза выше.

Таблица 3.8 Коэффициент теплопроводности X некоторых материалов

Материал	, Вт/(м-К)	Материал	, Вт/(м-К)
Газы	0,01	Сплав 12Х12Н10Т	14...33
Воздух	0,023...0,027	Ковар Н29К18	15...21
Стеклянная вата	0,051...0,059	Поликор (99,7% А12О3)	25,1...42
Пенопласта	0,03...0,06	Сталь	45...92
Жидкости	0,09...0,5 (вода 0,6)	Германий Бронза	58 64...88 .
Полихлорвиниловая пленка	0,12	Олово	34...67
Резина	0,11...0,16	Никель	60...95
Эпоксидная смола	0,1...0,2	Кремний	83...105
Парафин	0,27	Латунь Л63	86
Слюда	0,43...0,6	Свинец	35...92
Стеклотекстолит	0,34...0,74	Алюминиевые сплавы:
Пластмасса ЭФП-63	0,7	дюралюминий	160...180
Клей ВК-9	0,7...0,8	сплав АЛ2	175
Паста КПТ-8	0,7...0,8	Бериллиевая керамика Брокерит (Ве2О4)	60...209 217
Ситалл	1,2...4,0	Медь	259...400
Керамика 22ХС	20...30	Серебро	416...425
Титановый сплав	14...16

В ряде случаев для построения тепловой схемы необходимо знать контактное тепловое сопротивление . Его значение зависит от сочета­ния материалов в тепловом контакте, удельной нагрузки, шероховатости поверхности контактной пары. Для удельной нагрузки 1000 Н/см² и шероховатости Rz 20 контактное теп­ловое сопротивление (см² К/Вт) некоторых пар равно: медь — алюминий— 0,08; медь — медь — 0,1; медь — латунь — 0,18; медь — сплав Д16 —0,2;сплав Д16 — сплав Д16 — 0,25;сталь — медь — 0,8; сталь — сплав Д16—1,2; сталь — сталь — 2,5; ме­талл— краска — металл — 20,0. Тепло­вое сопротивление контакта (К/Вт) определяется по формуле .

Рис. 3.21. Охлаждение ИС с помощью тешюотводящих шин:

а—ячейка с шинами-теплостоками и торцевой накладкой; 6—ячейка со сплошным тепло-отводом и периферийным радиатором; 1—элементы теплоотвода; 2 — ИС; 3 — печатная плата; 4 — окна в теплоотводящей шине; 5—розетка соединителя

Рис. 3.22. Отвод теплоты от бескорпусных компонентов, ус­тановленных на плату (а) и вы­ступы основания (б): 1 — компонент; 2 — полиимидная плата; 3 - основание из алюминия; 4 — охлаждаемая жидкостью плита

Для улучшения теплоотвода в конструкции РЭС используются материалы с высокой теплопроводностью (поликор, керамика 22ХС, оксид бериллия, медь, алюминий, теплопроводящий клей ЭТК-21 с наполнителем из нитрида бора), а также по возможно­сти принимаются меры для исключения воздушных зазоров в местах тепловых контактов (например, с помощью паст типа КПТ-8 или клея ЭТК-21), уменьшения шероховатости поверхности (уменьшения микронеровностей), увеличения площади теплового контакта, увеличения контактного усилия.

Теплоотвод от компонентов, установленных на печатных платах, осуществляется с помощью теплоотводящих шин которые располагают непосредственно под корпусами ИС (рис. 3.21, а). В ряде случаев ИС в пластмассовом корпусе содержат встроенные теплоотводящие шины (см. рис. 1.18), которые могут присоединяться к шинам на плате или к корпусу РЭС (через шины).

Шины на плате могут выполняться вместе с рамкой (рис. 3.21, б). Радиаторы, расположенные по краю платы, могут сами рассеивать теплоту или служить теплосоединителями, переда­ющими теплоту к охлаждаемому жидкостью корпусу радиоэлек­тронного средства.

Бескорпусные компоненты могут устанавливаться на тонкие основания из полиимидной пленки (рис. 3.22, а) или непосред­ственно на выступы основания (рис. 3.22, б), проходящие через отверстия в платах. Теплоотводящие шины через рамку ячейки или корпус блока соединяютя с теплостоком, который может представлять собой тепловые трубы или основание, охлаждаемое жидкостью.