Интегрированная
система контроля температуры электрорадиоэлементов
печатного узла
Н.И.
Кравцов,
асп., kravzovkolya@mail.ru,
А.С. Шостак,
проф.,
д.т.н.,
Д.В. Озеркин,
зав.
каф., к.т.н.,
ТУСУР, г.Томск
Немаловажным фактором в работе аппаратуры является температура
элементов печатного узла. Неблагоприятное воздействие на надежность оказывают
как отрицательные, так и положительные температуры внутри корпуса аппаратуры.
Особое влияние на долговечность аппаратуры оказывает циклическое воздействие
температуры. Мониторинг тепловых режимов элементов печатного узла,
позволит обеспечить высокую надежность и
длительный срок службы изделий и аппаратуры в целом. Датчики температуры,
осуществляющие контроль параметров,
располагаются в структуре печатной платы.
An important
factor in the work of the equipment is the temperature of the printing element
node. Adverse effects on reliability have both negative and positive
temperature inside the instrument housing. Of particular influence on the
durability of the apparatus has a temperature cycling. Monitoring thermal
conditions of the elements of the printing unit, will
ensure high reliability and long service life of products and equipment in
general. Temperature sensors, exercising control parameters are located in the printed circuit board structure.
Микросхемы и радиоэлементы функционируют в
ограниченных температурных диапазонах. Отклонение температуры от указанных
диапазонов может привести к необратимым изменениям компонентов. Повышенная
температура снижает диэлектрические свойства материалов, ускоряет коррозию
конструкционных и проводниковых материалов. При пониженной температуре
затвердевают и растрескиваются резиновые детали, повышается хрупкость
материалов. Различия в коэффициентах линейного расширения материалов могут
привести к разрушению залитых компаундами конструкций и, как следствие,
нарушению электрических соединений, изменению характера посадок, ослаблению
креплений и т. п.
Настоящее и будущее аппаратуры связано с
использованием достаточно больших мощностей в сравнительно малых объемах. Это
приводит к резкому увеличению плотности мощности рассеяния, а, следовательно, и
плотности рассеиваемой теплоты. Поэтому при конструировании аппаратуры особое
значение приобретает разработка методов отвода теплоты, регулирования и
контроля температуры.
Если температура в любой из точек блока не выходит
за допускаемые пределы, то такой тепловой режим называется нормальным.[1]
Использование
датчиков температуры на этапе испытания позволяет оценить реальный тепловой
режим. Датчик выполнены в виде
термометров сопротивления.
Термометр сопротивления (ТС) состоит из одного или
нескольких термочувствительных элементов и внутренних соединительных проводов,
помещенных в герметичный защитный корпус, а так же внешних клемм и проводов,
предназначенных для подключения к измерительному прибору. Чувствительный
элемент (ЧЭ) термометра сопротивления представляет собой резистор, выполненный
из металлической проволоки или пленки, с выводами для крепления соединительных
проводов, имеющий известную зависимость электрического сопротивления от
температуры. По конструкции чувствительного элемента различают пленочные и
проволочные термометры сопротивления.[2]
Компания Heraeus Sensor Technology была
организована в 2003 году. Heraeus Sensor
Technology развивает, производит и выпускает на рынок
датчики для различных промышленных приложений: для автомобильной электроники,
бытовой техники, систем контроля и кондиционирования воздуха,
медико-биологической промышленности. Система менеджмента компании
сертифицирована по стандарту DIN EN ISO 9001:2000, а также по стандарту
производства изделий для автомобильной промышленности ISO/TS 16949:2002.
Компания является лидирующим производителем тонкопленочных датчиков
температуры. Главной особенностью производимых датчиков является их размещение
и монтирование на объект измерения, это поверхностный монтаж или между
элементами для измерения нескольких объектов или области. Применение датчиков в
радиоэлектроники на прямую зависит от их габаритного размера, тем самым что бы
измерит элементы печатного узла (ПУ) мы должны расположить несколько датчиков
по области получив не точные измерения температуры элементов или монтировать датчик на каждый элемент увеличивая массогабаритные размеры
ПУ. Это не приемлемо в таких сферах деятельности как космическая, авиационная и военная
промышленность. Использование компании Heraeus Sensor Technology
платину в качестве материала ЧЭ значительно повышает расходы на производство и
на цену производимой продукции.
Интегрированная система контроля температуры электрорадиоэлементов представляет собой отдельную подсистему встроенную в структуру печатного узла. Система
предназначена для измерений отдельных электрорадиоэлементов,
области печатного узла и выполнять одновременно два вида измерений.
Расположенные в слои печатного узла датчики представляют чувствительный элемент
термометра сопротивления, структура ПУ является герметично защищенным корпусом.
При такой компоновки на датчики не оказывают влияние температура окружающей
среды повышая точность измерений и
механические воздействия при монтаже или транспортировки
исключая повреждения или демонтаж датчиков. Материалом чувствительного элемента
используется медь, технологии обработки и напыления меди хорошо изучены и
внедрены в производство. Медь и технологии ее использования дешевле
предлагаемой компании Heraeus Sensor Technology платины, это снижает
затраты на производство и доступность технологии позволяет производить датчики
на специализированных предприятиях без закупки дорогостоящего оборудования.
Чувствительный элемент выполнен в форме меандра. Датчики в структуре печатного
узла такой формы находятся непосредственно под измеряемым объектом,
располагаясь между контактными площадками и переходными отверстиями. Полученная информация с датчиков поступает на микроконтроллер,
который усиливает сигнал при необходимости и преобразует полученную информацию
из аналогового сигнала в цифровой полученная информация передается на пульт
оператора (дежурного). Принципиальная схема структуры интегрированной
системы контроля электрорадиоэлементов представлена в
докладе.[4] При этом программируется как постоянный
контроль, так и в качестве сигнализации при температуре измеряемого объекта max или заданной.
Рис. 1
Фрагмент печатного узла, 3D вид Рис. 2
Расположение датчика в структуре ПП
В качестве объекта
измерения выбран конденсатор С1, под ним размешен
датчик температуры. Задав параметры электрорадиоэлементам
печатного узла и параметры окружающей среды: кондукцией, конвекцией и излучением, проведем измерение температуры конденсатора
и датчика. Полученные результаты представлены на Рисунке 3.
Рис.
3 График зависимости температуры от времени
Из
графика представленного на Рисунке 3 получаем что разница температуры между
конденсатором и датчиком составляет +0,07 0С при этом погрешность
компании Heraeus Sensor Technology
составляет +0,3 0С . Погрешность
измерений состоит из неплотного прилегания датчика к корпусу измеряемого
объекта, между ними слой печатной платы от параметров которого зависит точность
измерений. Использование материалов печатной платы с большей теплопроводностью
повысит точность измерений и скорость реагирования датчика на изменения
температуры объекта.
Интегрированная система контроля температуры
применима для любой сферы деятельности, может использоваться на стадии испытаний
или постоянный мониторинг температуры измеряемого объекта. Использование системы в
приборостроении позволит уйти от закупки иностранных датчиков в рамках политики
импортозамещения. Т.к на
данный момент компания Heraeus Sensor Technology является единственным
производителем и продавцом тонкопленочных датчиков температуры на рынке. Конструкция датчиков специально адаптирована
под промышленность в России, внедрение в производство не вызовет дополнительных
затрат на покупку оборудование или переквалификацию персонала.
2.
ГОСТ 6651-2009 «Термометры сопротивления из платины, меди и
никеля». М.:, Стандартинформ, 2011.
3.
Платиновые чувствительные элементы фирмы Heraeus Sensor
Technology GmbH Ядевич А.И.
(Директор ОДО МСМ г. Минск).-
http://temperatures.ru/pdf/seminar/3.pdf