ТЕПЛОВОЙ РАСЧЁТ ЭЛЕКТРОРАДИОИЗДЕЛИЙ, ВХОДЯЩИХ В СОСТАВ ПРИБОРОВ РАДИОЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ КА

© Д.М.Рудковский, С.М.Храмов, С.В.Иосипенко
© Государственный музей истории космонавтики им. К.Э. Циолковского, г. Калуга
Секция "Проблемы ракетной и космической техники"
2011 г.

Требования по надёжности к вновь разрабатываемым приборам радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) космических аппаратов (КА) предъявляются очень жёсткие. Надёжность приборов РЭА определяется надёжностью каждого электрорадиоизделия (ЭРИ), входящего в состав прибора. Одним из параметров, влияющих на интенсивность отказов полупроводникового ЭРИ, является температура кристалла. Согласно уравнению Аррениуса, устанавливающему зависимость степени деградации кристалла ЭРИ от его температуры, при увеличении температуры на 10С интенсивность отказов увеличивается в два раза при энергии активации 0,8 эВ, приводимой в нормативной документации на микросхемы. Из этого следует, что особое внимание при проектировании приборов РЭА следует уделять температурным режимам ЭРИ, входящих в их состав.

Для предотвращения превышения температурных режимов каждого ЭРИ на этапе проектирования приборов РЭА необходимо проводить тепловой расчёт. Причём тепловой расчёт должен быть проведен на стадии разработки рабочей конструкторской документации и для прибора в целом (включая корпус, печатную плату, ЭРИ).

В настоящее время для теплового расчёта полупроводниковых ЭРИ в составе прибора применяются два основных подхода:

1. Составляются подробные геометрические и тепловые модели самых теплонагруженных ЭРИ. По подготовленным моделям осуществляется численное моделирование каждого ЭРИ независимо от других. Тепловыделение ЭРИ при этом считается максимальным и стационарным. Однако, данный подход является некорректным, так как в нормативно-технической документации отсутствует критерий теплонагруженности ЭРИ, определяющий, стоит ли включать тот или иной ЭРИ в тепловой расчёт; принцип независимости теплового расчёта отдельно взятого ЭРИ не учитывает возможные тепловые влияния ЭРИ друг на друга.

2. В данном подходе рассчитываются все ЭРИ в составе прибора РЭА. Составляются «двухрезисторные» модели каждого ЭРИ. Двухрезисторная модель полупроводникового ЭРИ представляет собой совокупность тепловыделяющего элемента ЭРИ (кристалла) и двух тепловых сопротивлений («кристалл – окружающая среда» и «кристалл – печатная плата»). Недостатком данного подхода является отсутствие информации о вышеуказанных тепловых сопротивлениях. Даже если тепловые сопротивления указаны разработчиком ЭРИ в сопроводительной документации, то они указаны для конкретной температуры. Т.е. информация о зависимости тепловых сопротивлений от температуры отсутствует.

Представлена методика теплового расчёта приборов РЭА. Предложен критерий отбора ЭРИ как по абсолютному тепловыделению, так и по эффективной плотности теплового потока группы ЭРИ, которые необходимо учитывать при расчёте. Представлен подход к геометрическому моделированию ЭРИ. Для моделирования и расчётов теплового режима ЭРИ использовались программные комплексы FloTherm и FloPACK (Mentor Graphics). Представлены результаты расчёта конкретного прибора. Представлены результаты экспериментов по данному прибору.