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, гомск

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]

С внедрением тонкопленочной технологии в 70-ых годах началось развитие специальных версий этих сенсоров для массовых рынков. Накопленный опыт нескольких десятилетий и постоянное стремление к совершенствованию позволяет сегодня изготавливать сравнительно дешевые и в большом количестве платиновые элементарные ЧЭ и температурные сенсоры, заключенные в корпус, с применением современных производственных методов, таких как вакуумное напыление и фотолитография. Основным производителем ЧЭ являются компании Heraeus Sensor Technology GmbH (HST) ,представители компании в России СЕНТЕК (ООО "СИГНУМ"), ОДО «МСМ» и.д.р.[3]

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.

На Рисунке 1 представлен фрагмент печатного узла, спроектированного в программном комплексе Altium Designer и импортированный в программный комплекс SolidWorks для проведения термических иследований.

                                            

                                         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.

Литература

1.  Конструкторско-технологическое проектирование электронной аппаратуры: Учебник для вузов. – М.: Изд. МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. – 528 с.

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

4.  Контроль температуры элементов печатного узла / Кравцов Н.И, Шостак А.С., Алексеев В.П.// X Международной научно-практической конференции «Электронные средства и системы управления» (Томск).- 2014.-С.44-47.