Главная Источники вторичного электропитания - часть 1



где 5i - площадь входного сечения, м; Sa - площадь выходного сечения в м.

Если имеют место несколько входов и один общий выход, то необходимо суммировать входную площадь, а расчет вести по средней площади.

Известно, что увеличение размера теплоотвода более двух диаметров источника тепла (рис. 7.7) не приводит к эффективному снижению теплового сопротивления. Такая же зависимость имеет место и по отношению к толщине теплоотвода. Данное обстоятельство необходимо учитывать при 1выборе ПОДЛ0Ж1КИ и отри размещении на ней источников тепла.

Для конструкции, представляющей собой подложку .микрооборки с расположенными «а ней кристаллами полупроводниковых приборов (см. j3j./jj рис. 7.6), расчет тепловых сопротивлений всех участков це-Рис. 7.7. Зависимость теплового сопро- лесообразно выполнить для тивления от отношения размеров тепло- вариантов. В начале рас-

отвода и источника тепла « j р f

сматривается вариант конструкции, когда микросборка не установлена на металлическую поверхность, а теплота отводится непосредственно в окружающую среду. Исходными данными для такого расчета являются размеры кристалла полупроводникового прибора, толщина и материал кристаллодержателя, подложки и связующих веществ (клея, припоя).

Подставляя геометрические размеры участков конструкции и значения коэффициентов теплопроводности материала соответствующего участка в формулу (7.6), находят тепловые сопротивления.

Тепловое сопротивление участка подложка - окружающая среда {Rth) определяется по следующей формуле:

i?ift=l/a5r, (7.8)

где а - коэффициент теплоотдачи, Вт/м •° С; St - площадь теплового контакта подложки, м.

Тепловое сопротивление кристалл - окружающая среда определится как усредненная сумма тепловых сопротивлений участков для каждого из элементов микросхемы и теплового сопротивления участка крепления подложки к поверхности несущей конструкции:

(7.9)

где т - число кристаллов.

Далее расчет производится для варианта, когда микросборка установлена на теплоотводящую поверхность. В этом случае к ра-

нее рассчитанным тепловым сопротивлениям добавляются тепловые сопротивления участков подложка - клей, клей - ячейка и ячейка - окружающая среда.

Чтобы определить мощность, которую способна рассеять микросборка, - достаточно воспользоваться формулой (7.5), в которой АГ равно разности между допустимой рабочей температурой элементов Гдоп и температурой окружающей среды Гокр; Rt - представляет собой суммарное тепловое сопротивление кристалл - окружающая среда.

Пример. На рис. 7.6 приведена модель конструкции прибора с двумя источниками тепла (кристаллы транзистора КТ908А). Кристалл транзистора КТ908А размером 5X5 и толщиной 0,2 мм припаян к кристаллодержателю из молибдена диаметром 10 и толщиной 0,5 мм, который в свою очередь с помощью пайки (толщина пайки 6 = 0,1 мм) установлен на поликоровой подложке размерами 14X28 мм и толщиной 0,5 мм.

Тепловые сопротивления, определяемые по формуле (7.6), соответственно для участков:

кристалл - пайка

130.5.5

пайка - кристаллодержатель Р 0,1-10«

кристаллодержатель - пайка

= 0,068

Pts =

0,5-103

пайка - подложка

3,1410-10

= 0,562

R,,=l±-= 0,037

3,14.10.10 Вт

60 -

подложка - окружающая среда по формуле (7.8)

20-28-14 Вт

а = 20 Вт/м2 - °С.

Суммарное тепловое сопротивление двух кристаллов по отношению к окружающей среде для варианта с теплоизолирующим креплением (рис. 7.8)

R= n + RM + Ru + 128 .

При установке подложки с помощью клея марки К-400 на тепло-отводящую поверхность, например, из алюминия площадью



350 см2 и толщиной 15 мм тепловые сопротивления дополнительных участков по отношению к окружающей среде составят: участок подложка - клей /

п 0.5.10» . °с /

участок клей -ячейка (6 = 0,2 мм)

я,. = 4 = 0,255

2.28.14 Вт

участок ячейка -среда по формуле (7.8) для а=10 Вт/м2.С

= 2,86

10.350-102 Вт

Суммарное тепловое сопротивление для этого варианта

Rt = 0,364 -f 0,064 -f 0,255 -f 2,86 = 3,543 °С/Вт.

Соответственно допустимая мощность рассеяния при Гдоп = = 120°С и Гокр = 50°С: *

для первого варианта Ррас = 0,546 Вт;

для второго варианта Ррас=19,7 Вт.

/ 2

-3 ktj Rtl,

-4ZI]-I=ZHIZ]-[I=K


кц tZ ft3 tl,

I-CZIhrC

И=ьЧ

0,6° с

WZZh-CZH

o,rc

.B2,7°C

5S°C

Puc. 7.8. Силовая микросборка с теплоизолирующим креплением:

а - конструкция (/ - транзистор; 2 - микросборка; 3 - диэлектрик из фторопласта; 4 - ге-тинаксовая пластина; 5 - термопара); б -тепловая модель

.1 1 1

20 60 во 100 120 m °c


Подложка.

№точки.

Рис. 7.9. Зависимость до- Рис. 7.10. Распределение температуры пере-

пустимой мощности рассе- грева обратной стороны подложки силовой ивания силовой микросбор- микросборкн:

кой от окружающей тем- /-нагружены оба транзистора; 2 - нагружен один пературы транзистор

Полученные данные являются предельными, и в условиях длительной работы тепловой режим желательно облегчить.

На рс. 7.9 показана зависимость допустимой мощности рассеяния столовой микросборки от окружающей температуры для двух значений допустимой температуры перехода транзистора. Рисунок 710 иллюстрирует распределение перегрева по подложке силовой микросборкн при нагрузке одного и двух транзисторов.

Т.б.уПредварительное конструирование ИВЭП

Предварительная проработка конструкцни источника включает в себя следующие этапы:

выбор вида конструкции источника; компоновку элементов схемы в заданном объеме; уточнение требований к топологиям микросборок; выбор способалаждения.

При микроэлектронном конструировании источники открытого исполнения встраиваются в объемы самих потребителей. В этом случае их защита от воздействий внешней среды осуществляется вместе с основными блоками. Такие источники и функциональные узлы выполняют в виде отдельных микросборок (например, стабилизаторы напряжения непрерывного действия) или в виде ячеек, конструктивное исполнение которых аналогично ячейкам потребителя. Источники могут выполняться также в виде самостоятельных герметичных конструкций.

Компоновка элементов схемы состоит в решении задач размещения, установки, крепления и электрического соединения элементов схемы источника.

При компоновке элементов и микросборок возникает необходимость в непосредственной «стыковке» микросборок, ие прибегая к печатной плате. Это несколько усложняет требования к топологии микросборок, но в общей конструкции ячейки или блока дает определенный выигрыш. Так, на рис. 7.11 в качестве примера приведен вариант компоновки стабилизатора напряжения непрерывного типа и усилителя тока с непосредственным соединением мик-

Рйс. 7.11. Внешний вид стабилизатора напряжения с непосредственным соединением микросборок




росборок, а на рис. 7.12 - компоновка подобной схемы с использованием печатной платы. Второй вариант компоновки увеличивает толщину ячейки и требует дополнительной поверхности для контактных площадок и проводников, соединяющих ми1фосборку и печатную плату.

Шее 5 мм

ч \----------Лл

\ \ , TI

Более 2мм


динения микросборок друг с другом через печатную плату:

/ - печатная плата; 2 - ячейка: микросборка

Повышение надежности микроэлектронных конструкций связано с сокращением числа внешних соединений между элементами и микросборками и заменой их соединениями, выполненными методами микроэлектронной технологии. Это ведет к появлению больших гибридных сборок. Работа конструктора в этом случае упрощается, так как компоновать приходится меньшее число элементов, как и при непосредственной связи между сборками, но осуществить плотную компоновку не всегда удается из-за различия высот микросборок и дискретных элементов. Это вызывает встречные требования конструктора к проектировщику схемы источника. Например, вместо одного дросселя большой мощности приходится применять несколько дросселей малой мощности.

Несмотря на свою простоту, охлаждение путем теплопроводности является достаточно эффективным и широко применяется в ИВЭП. Правильная разработка конструкции, учитывающая передачу теплоты через конструктивные элементы, обладающие хорошей теплопроводностью, существенно повышает надежность. Поэтому необходимо исключить локальные перегревы в конструкции и обеспечить минимальное тепловое сопротивление от тепловыделяющих элементов до наружной поверхности устройства. Равномерность выделения теплоты по поверхности микросборок достигается рассредоточением теплонапряженных элементов. Для уменьшения теплового сопротивления необходимо обеспечить хо-


роший тепловой контакт между слоями разнородных материалов (полчкор, припой, корпус) и высокую теплопроводность самих материалов. Микроэлектронные конструкции теплонапряженных блоковЧимеют в большинстве случаев явно выраженную плоскую форму (рис. 7.13), дающую лучшее соотношение между поверхностью охлаждения и объемом. На рис. 7.14 для сравнения показан внешний вид аналогичного блока, но выполненного на дискретных элементах.

На рис 7.15 показан внешний вид ячейки питания открытого (бескорпусного) типа. Корпусированные блоки с большим тепловыделением \ могут иметь поверхность охлаждения, дополнительно (развитую за счет оребрения их внешней поверхности (рис. 7.16).

Развитие техники, работающей в безвоздушной среде, стимулировало разработку методов теплоотвода посредством Передачи теплоты через конструктивные элементы, обладающие достаточной теплопроводностью. В тех случаях, когда рассеиваемая мощность велика, а поверхность корпуса устройства .недостаточна, используются активные систе-


Рис. 7.14. Конструкция ИВЭП на дискретных элементах


Рис. 7.18. Конструкция микроэлектронных ИВЭП

Рис. 7.15. Внешний вид ячейки питания открытого типа



0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 [43] 44 45 46


0.0122