Расчет тепловых процессов в радиоэлектронных средствах и методы измерений теплофизических характеристик радиоматериалов

Исходя из специфики метода (большая плотность теплового потока, малые расстояния от источника тепла до датчика температуры), авторы [8,24] отмечают о необходимости решения обратной задачи теплопроводности с учетом зависимости теплофизических коэффициентов от температуры и показывают, что в ряде случаев неучет этого эффекта может привести к значительным ошибкам при расчете ТФС. Проблема, связанная с высокой плотностью теплового потока в луче ОКГ, может быть решена за счет перераспределения энергии по сечению луча путем его расфокусировки. Однако отсутствие теоретического обоснования импульсного метода с расфокусированным источником тепла не позволяет сделать это. Оставшийся путь - общее снижение падающей энергии - приводит к необходимости увеличивать (в несколько раз) чувствительность измерительной системы при измерении температуры, и, как следствие, приводит к существенному увеличению стоимости средств измерения.

Указанные выше недостатки метода и средств измерения замедлили внедрение измерительных систем, использующих данный метод.

4. Выводы и постановка цели и задач исследований

Цель работы - проведение комплексных исследований, направленных на получение  научно-обоснованных технических и  методических решений, способствующих созданию математических моделей теплофизических процессов конструктивных модулей РЭС на основе их конечноэлементной аппроксимации, разработке информационно-измерительных средств, осуществляющих верификацию теплофизических характеристик конструкционных радиоматериалов для формирования базы данных,  и реализации алгоритмов имитационного моделирования картин тепловых полей внутри РЭС с учетом анизотропии  параметров деталей реальных конструкций РЭС.

 Для достижения поставленной  цели требуется решить следующие  задачи:

- построить математические модели  тепловых процессов для двумерных  и трехмерных конструктивных  модулей РЭС и получить для  них аналитическое решение уравнения теплопроводности;

- осуществить аппроксимацию непрерывной  искомой функции температуры, зависящей от двух координат, кусочно-непрерывной, определенной на множестве двумерных конечных элементов (КЭ); обеспечить функционирование автоматизированной подготовки топологической информации; определить наиболее подходящие функции формы для аппроксимирующих КЭ;

-  разработать информационно-измерительные  средства для определения коэффициента  температуропроводности путем импульсного  воздействия лазерного луча в точку поверхности конструкции РЭС, теплофизические свойства которой исследуются; вывести аналитическую зависимость коэффициента температуропроводности от полуамплитуды напряжения на выходе датчика температуры, установленного в контролируемой точке детали конструкции РЭС;

- разработать  способы диагностики анизотропии  структурной плотности радиоматериалов  деталей конструкции РЭС в  различных направлениях; аппроксимировать полученные экспериментальные кривые температуропроводности кубичными сплайн-функциями, устанавливающие аналитическую зависимость коэффициента температуропроводности от координат;

- разработать  методику и аппаратурное обеспечение  исследования температурно-концентрационных  зависимостей коэффициента температуропроводности сплавов, широко применяющихся в качестве радиоматериалов конструкций РЭС, от температуры, основанную на импульсном воздействии луча оптического квантового генератора на поверхность сплава;

- на высокочистых и  аттестованных образцах сплавов  железа с никелем и железа с кобальтом во всем диапазоне концентрации выполнить комплексные исследования температуропроводности, теплопроводности и теплоемкости; полученные экспериментальные данные поместить в базу данных;

- на основе полученных  математических моделей тепловых процессов, конечноэлементной аппроксимации плоских конструктивных модулей РЭС и базы данных произвести имитационное моделирование картин тепловых полей внутри конструкций РЭС для достижения квазиоптимальных режимов работы РЭС.

ЛИТЕРАТУРА

1. Алиев М.И., Гусейнов Р.Э., Араслы Д.Г. Измерение температуропроводности полупроводников методом светового импульса. - ИФЖ, 1972, т.22, 6, С. 1055-1059.
2. Власов Б.В., Талуц С.Т., Зиновьев В.Е. и др. Температуро­проводность и теплопроводность монокристаллического рения при высо­ких температурах в твердом и жидком состояниях. // ФМИ.- 1990, № 8. - С.195-197.
3. Диаграмма состояния двух и многокомпонентных систем на осно­ве железа / Под ред. О.А.Банных, М.Е.Дрица. - M.: Металлургия. - 1986. – 125 с.
4. Дульнев Г.Н. Тепло- и массообмен в радиоэлектронной аппаратуре. -М.: Высшая школа, 1984. – 250 с.
5. Дульнев Г.Н., Тарновский Н.Н. Тепловые режимы электронной аппаратуры. - Л.: Энергия,1971. – 320 с.
6. Загребин Л.Д. Автореферат диссертации на соискание ученой сте­пени кандидата физико-математических наук, Ижевск, 1982. – 16 с.
7. Загребин Л.Д., Зиновьев В.Е., Сипайлов В.А. Измерение температуропроводности массивных металлических образцов импульсным методом. - ИФЖ, 1978, т.35, 3, С. 450-454.
8. Загребин Л.Д., Зиновьев В.Е., Сипайлов В.А. Импульсный метод определения теплофизических характеристик массивных металли­ческих образцов. - Деп. в ВИНИТИ, №3163-79. - ИФЖ, 1980, т.38, 4, С.728.
9. Загребин Л.Д., Зиновьев В.Е., Сипайлов В.А. Определение импульсным методом коэффициентов температуропроводности и тепло­проводности полусферических образцов. - ИФЖ, 1981, т.40, 5, с. 864-869.
10. К. Beedham, I.P. Dalrymple. The measurement of thermal diffusivity by the flash method. An investigation into errors arrising from the boundary conditions. - Rev. Int. Temper, et Re­fract, 1970, v.7, p. 278-283.
11. Клименко М.М., Кржижановский Р.Е., Шерман В.Е. Импульсный метод определения температуропроводности. - ИФЖ, 1976, т.17, 6, С. 1216-1223.
12. Конструирование радиоэлектронных средств / В.Ф. Бо­рисов, О.П. Лавренов, А.С. Назаров, А.Н. Чекмарев; Под ред. А.С. Назарова. — М.: Изд-во МАИ, 1996. - 380 c.
13. Конструирование функциональных узлов ЭВМ на интегральных схемах. / Б.И. Ермолаев, В.И. Вартанян, И.В. Дудов и др.; Под ред. Б.И. Ефремова. – М.: Сов. радио, 1978. – 200 с.
14. Крафтмахер Я.Д. Теплоемкость металлов при высоких температурах // Работы по физике твердого тела. - Новосибирск: 1967.-вып.1.- С.38-90.
15. Кулаков Н.В. К определению термических коэффициентов твердых термоизоляторов. ЖТФ, 1952, т.22, 1, с. 67-72.
16. Куриченко А.А. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук, Свердловск, 1986. – 16 с.
17. Лебедев С.В., Савватимский А.Н. Металлы в процессе быстрого нагревания электрическим током большой плотности // УФН .- 1984. - т.144. -  С.215-250.
18. Лыков А.В. Теория теплопроводности. - М.: Высшая школа, 1967. – 599 с.
19. Ненашев А.П., Коледов Л.А. Основы конструирования микроэлектронной аппаратуры. – М.: Радио и связь, 1981. – 304 с.
20. Пелецкий В.Э., Тимрот Д.Л., Воскресенский В.Ю. Высокотемпературные исследования тепло- и электропроводности твердых тел. - М.: Энергия. - 1971.- 192 с.
21. Петренко А.И., Тетельбаум А.Я. Формальное конструирование электронно-вычислительной аппаратуры. – М.: Сов. радио, 1979. – 256 с.
22. Петрова И.И. Исследование теплоемкости тугоплавких соединений импульсным методом. - Сб.: Теплофизические свойства веществ при высоких температурах.
23. Преснухин Л.Н., Шахнов В.А., Кустов В.А. Основы конструирования микроэлектронных вычислительных машин. – М.: Высшая школа, 1976. – 270 с.
24. Рыкалин Н.Н., Углов А.А., Кокора А.Н. Лазерная обработка ме­таллов. - М.: Машиностроение, 1975. - 298 с.
25. Савельев А.Я., Овчинников В.А. Конструирование ЭВМ и систем: Учебник для техн. вузов по спец. «Электрон. выч. маш.» – М.: Высш. шк., 1984. – 248 с.
26. Талуц С.Г. Тепло- и температуропроводность тугоплавких металлов вблизи точки плавления. Дисс. канд. физ.-мат. наук. - Свердловск, 1985. - 167 с.
27. Теплофизические свойства металлов при высоких температурах / Зиновьев В.Е., Справ. изд. - М: Металлургия, 1989. - 384 с.
28. Филиппов Л.П. Измерение тепловых свойств твердых и жидких металлов при высоких температурах. - M.: Изд.МГУ, 1967.- 325 с.
29. Шашков А.Г., Волков Г.М., Абраменко Т.Н., Козлов В.Г. Методы определения теплопроводности и температуропроводности. - М.; Энергия, 1973. - 336 с.
30. Шевельков В.Л. Теплофизические характеристики изоляционных материалов. - М.-Л.: Госэнергоиздат.
31. Clifton W. Draper, Gord M. Rosenblatt. Thermal diffusivity of group V semimetals. - High Т. - High Press., 1987, v.2, p.18
32. D.L. Balageas. Flash thermal diffusivity maesurement with a no­vel temperature time history analysis. - PSTP, N.-Y. - 1982.
33. Degiovanni A. Diffusivite et method flash. - Rev. gen. therm., 1977, v.l6, N 185, p.420-442.
34. F. Regini, L. Coslovi, A. Rosso. Measurement of thermophysical properties by a pulse heating method: the phase transformation of zircaloy-2 ( 800-1400 К ). -  Appl. Phis., 1984, v.4, p.234.
35. J.A. Koski. Improved data reduction methods for laser pulse dif­fusivity determination with the use of minicomputers. - PSTP, N.-Y. - 1982. - v.l2., p. 94
36. Kanji E. Remarks on shifts of thermal diffusivity of a solid by finite width of pulse.- Jap. J. Appl. Phys., 1975, v.l4.
37. L. Kubicar, J. Krempasky. On the accuracy of the heat-pulse me­thod for measuring thrmophysical properties. - Phys. Stat. Sol, (a), 2, N 4, p. 739-747.
38. Parker W.J., Jenkens R.S., Buttler C.P., Abbott G.L. Flash me­thod of determining thermal diffusivity, heat capacity and thermal conductivity. - J. Applied. Phys. - 1961, v.32, N 9, p. 1679-1684.
39. S. Namba, Pil Hvang Kirn, T. Arai, T. Kikuohi. Measurement of ther­mal diffusivity by laser pulse. - Japan J. Appl. Phys., 1967, v.6, p. 1019.
40. Watler A.S., Dell R.M., Burgeas P.S. The measurement of thermal diffusivities using a pulse electron beam. - Rev. int. hautes-temo. et refract. 1970, v.7, N 3, p. 271-277.