RU2420046C1

RU2420046C1 - Method for thermal shielding electronic modules and device for implementing said method

Info

Publication number: RU2420046C1
Application number: RU2010112336/07A
Authority: RU
Inventors: Галина Николаевна Бельских (RU); Галина Николаевна Бельских; Марина Владимировна Данилова (RU); Марина Владимировна Данилова; Вячеслав Михайлович Киселев (RU); Вячеслав Михайлович Киселев; Владимир Владимирович Тарасов (RU); Владимир Владимирович Тарасов; Сергей Петрович Саморуков (RU); Сергей Петрович Саморуков; Александр Сергеевич Сапронов (RU); Александр Сергеевич Сапронов
Original assignee: Курское открытое акционерное общество "Прибор"
Priority date: 2010-03-30
Filing date: 2010-03-30
Publication date: 2011-05-27

Abstract

FIELD: physics. ^ SUBSTANCE: method for thermal shielding electronic modules is implemented by removing heat using a heat-shielding compound during its thermochemical decomposition, and the device for implementing said method has a housing, the inner surface of which a cavity for placing at its centre electronic modules and a heat-insulating lining fit on the inner surface of the housing. The space between the electronic modules and the heat-insulating lining is filled with a compound of boric acid or its salt, for example, sodium tetraborate decahydrate, and an inorganic additive with decomposition temperature higher than 1100C. ^ EFFECT: high specific heat-removal capacity of the compound, protection of an electronic module while improving operational characteristics, high technological effectiveness and standardisation of the assembling process. ^ 2 cl, 1 dwg

Description

Способ и устройство тепловой защиты электронных модулей относятся к специальной области электронной техники, а именно к средствам защиты микроэлектронного оборудования от внешних разрушающих факторов, таких как высокотемпературные огневые воздействия, ударные перегрузки, статические давления, а также от длительного воздействия повышенной температуры, и могут быть использованы при создании защищенных бортовых накопителей полетной информации для самолетов и вертолетов, а также защищенных накопителей информации для других транспортных средств.The method and device for thermal protection of electronic modules belong to a special field of electronic technology, namely to means for protecting microelectronic equipment from external destructive factors, such as high-temperature fire effects, shock overloads, static pressures, and also from prolonged exposure to elevated temperature, and can be used when creating secure on-board flight information storage devices for aircraft and helicopters, as well as protected information storage devices for other vehicles s funds.

Известен способ тепловой защиты электронных модулей путем отвода тепла с помощью теплозащитной смеси, состоящей из кристаллогидратов цитрата бария и цитрата кальция в весовом соотношении от 80:20 до 40:60 с гелем кремниевой кислоты и ацетата цинка, причем кристаллы цитрата бария и цитрата кальция предварительно покрыты оболочкой из абиетата цинка, насыщенной смесью кремниевой кислоты и цинкатов натрия.A known method of thermal protection of electronic modules by removing heat using a heat-shielding mixture consisting of crystalline hydrates of barium citrate and calcium citrate in a weight ratio of 80:20 to 40:60 with a gel of silicic acid and zinc acetate, and the crystals of barium citrate and calcium citrate are pre-coated a zinc abietate shell saturated with a mixture of silicic acid and sodium zincates.

Известно устройство для осуществления такого способа тепловой защиты электронных модулей, содержащее корпус, внутренние поверхности которого образуют полость для размещения в ее центре электронных модулей, термическую прокладку, прилегающую к внутренней поверхности корпуса, средства для удаления из корпуса газообразных продуктов, при этом пространство между электронными модулями и термической прокладкой заполнено смесью кристаллогидратов цитрата бария и цитрата кальция с гелем кремниевой кислоты и ацетата цинка, причем кристаллы цитрата бария и цитрата кальция предварительно покрыты оболочкой из абиетата цинка, насыщенной смесью кремниевой кислоты и цинкатов натрия (патент РФ №2323557, МПК7 H05K 7/20, H05K 5/02).A device is known for implementing such a method of thermal protection of electronic modules, comprising a housing, the inner surfaces of which form a cavity for placement of electronic modules in its center, a thermal pad adjacent to the internal surface of the housing, means for removing gaseous products from the housing, while the space between the electronic modules and a thermal pad is filled with a mixture of crystalline hydrates of barium citrate and calcium citrate with a gel of silicic acid and zinc acetate, and the crystals itrata barium and calcium citrate of the pre-coated zinc abietate, a saturated mixture of silicic acid and sodium zincates (RF №2323557 patent MPK7 H05K 7/20, H05K 5/02).

Недостатком ближайших аналогов является малая удельная теплоотводящая способность смесей, в результате чего для защиты модулей от воздействия высоких температур окружающей среды в течение необходимого периода времени требуется значительная масса смеси, что неприемлемо при ограниченных объемах.A disadvantage of the closest analogues is the low specific heat dissipation ability of the mixtures, as a result of which a significant mass of the mixture is required to protect the modules from exposure to high ambient temperatures for the required period of time, which is unacceptable with limited volumes.

Кроме того, смесь представляет собой порошок, который уплотняют непосредственно в устройстве, при этом нет повторяемости в плотности упаковки смеси, и в результате процесс сборки устройства невозможно стандартизовать. А наличие в смеси нестабильного при низких температурах геля кремниевой кислоты может привести к коррозии корпуса устройства (гель разрушается с высвобождением воды).In addition, the mixture is a powder that is compacted directly in the device, while there is no repeatability in the packing density of the mixture, and as a result, the assembly process of the device cannot be standardized. And the presence of a silica gel gel, which is unstable at low temperatures, can lead to corrosion of the device case (the gel is destroyed with the release of water).

Технический результат заключается в повышении удельной теплоотводящей способности смеси и обеспечении ее работы в течение необходимого периода времени меньшим по массе и объему количеством смеси, а также в улучшении эксплуатационных характеристик, повышении технологичности и стандартизации процесса сборки.The technical result consists in increasing the specific heat dissipation ability of the mixture and ensuring its operation for the required period of time with a smaller amount of mass and volume of the mixture, as well as improving performance, improving manufacturability and standardizing the assembly process.

Технический результат достигается за счет того, что в способе тепловой защиты электронных модулей путем отвода тепла с помощью теплозащитной смеси в качестве теплозащитной смеси используют композиционную смесь борной кислоты или ее солей и неорганической добавки минерального происхождения в весовом соотношении от 70:30 до 85:15, причем неорганическая добавка минерального происхождения имеет температуру деградации выше 1100°C.The technical result is achieved due to the fact that in the method of thermal protection of electronic modules by removing heat using a heat-shielding mixture, a heat-shielding mixture uses a composite mixture of boric acid or its salts and inorganic additives of mineral origin in a weight ratio of from 70:30 to 85:15, moreover, an inorganic additive of mineral origin has a temperature of degradation above 1100 ° C.

Устройство для осуществления способа тепловой защиты электронных модулей содержит корпус, внутренние поверхности которого образуют полость для размещения в ее центре электронных модулей, теплоизоляционной прокладки, прилегающей к внутренней поверхности корпуса, при этом пространство между электронными модулями и теплоизоляционной прокладкой заполнено композиционной смесью борной кислоты или ее солей и неорганической добавки минерального происхождения в весовом соотношении от 70:30 до 85:15, причем неорганическая добавка минерального происхождения имеет температуру деградации выше 1100°С.A device for implementing the method of thermal protection of electronic modules comprises a housing, the inner surfaces of which form a cavity for placement of electronic modules in its center, a heat-insulating gasket adjacent to the inner surface of the housing, while the space between the electronic modules and the heat-insulating gasket is filled with a composite mixture of boric acid or its salts and inorganic additives of mineral origin in a weight ratio of from 70:30 to 85:15, and the inorganic additive of mineral origin has a temperature of degradation above 1100 ° C.

На чертеже представлена конструкция устройства тепловой защиты электронных модулей.The drawing shows the design of a thermal protection device for electronic modules.

Устройство тепловой защиты содержит корпус 1, изготовленный из металла высокой прочности. Корпус 1 может иметь любую требуемую форму, обеспечивающую устойчивость к раздавливанию и проникающему удару. К внутренней поверхности корпуса 1 прилегает теплоизоляционная прокладка 2, предназначенная для пассивной (при рабочих температурах не изменяются состав и свойства, работает только как барьер для теплового потока) теплозащиты сохраняемого электронного модуля 3, расположенного в центре внутренней полости корпуса 1. Теплоизоляционная прокладка 2 выполнена из материала на основе кварцевых волокон, имеющих высокую пористость и низкий коэффициент теплопроводности. Композиционная теплозащитная смесь 4, состоящая из борной кислоты или ее солей, например декагидраттетрабората натрия, и неорганической добавки минерального происхождения, например природных полимеров: каолина, асбеста и др., занимает пространство между электронным модулем 3 и прокладкой 2. Неорганическая добавка минерального происхождения, являясь природным полимером, образует с борной кислотой композиционную смесь с трехмерной разветвленной структурой и представляет собой прессованную сборочную деталь со стандартными размерами, капиллярно-пористой структуры. Корпус 1 закрыт крышкой 5.The thermal protection device comprises a housing 1 made of high strength metal. The housing 1 may have any desired shape, providing resistance to crushing and penetrating shock. Adjacent to the inner surface of the housing 1 is a heat-insulating pad 2 designed for passive (at working temperatures the composition and properties do not change, it acts only as a barrier to the heat flux) thermal protection of the stored electronic module 3 located in the center of the inner cavity of the housing 1. The heat-insulating pad 2 is made of material based on quartz fibers having high porosity and low coefficient of thermal conductivity. Composite heat-shielding mixture 4, consisting of boric acid or its salts, for example sodium decahydrate tetraborate, and inorganic additives of mineral origin, for example natural polymers: kaolin, asbestos, etc., occupies the space between the electronic module 3 and gasket 2. Inorganic additive of mineral origin, being a natural polymer, forms a composite mixture with a boric acid with a three-dimensional branched structure and is a pressed assembly part with standard sizes, as Pillar-porous structure. Case 1 is closed by cover 5.

При воздействии на устройство высокой температуры теплоизоляционная прокладка 2 обеспечивает равномерный подвод тепла к теплозащитной смеси 4, необходимый для осуществления термохимической реакции. При достижении температуры смеси 120°C, 150°C, 170°C, 250°C начинается эндотермический процесс: последовательное термохимическое превращение мономера (борной кислоты или ее солей) в борный ангидрид с образованием последовательной цепочки олигомеров разной структуры и свойств. Геометрически плоская структура олигомеров в сочетании с трехмерной разветвленной структурой неорганической добавки минерального происхождения образуют высокопористую матрицу теплозащитной композиции 4. Высокопористая матрица теплозащитной композиции 4 устойчива и стабильна на протяжении требуемого температурно-временного интервала. Температура деградации неорганической добавки выше 1100°C, это позволяет осуществлять химический процесс поглощения тепла на протяжении требуемого времени действия теплозащитной смеси 4. При этом происходит отвод тепла от модуля 3 и охлаждение корпуса 1. Такой процесс позволяет удерживать температуру во внутренней полости корпуса 1 на уровне приемлемых величин (до 145°C).When exposed to a high temperature device, the heat-insulating pad 2 provides an even supply of heat to the heat-shielding mixture 4, necessary for the implementation of the thermochemical reaction. When the temperature of the mixture reaches 120 ° C, 150 ° C, 170 ° C, 250 ° C, the endothermic process begins: the sequential thermochemical conversion of the monomer (boric acid or its salts) into boric anhydride with the formation of a sequential chain of oligomers of different structures and properties. The geometrically flat structure of the oligomers in combination with the three-dimensional branched structure of an inorganic additive of mineral origin form a highly porous matrix of heat-shielding composition 4. The highly porous matrix of heat-shielding composition 4 is stable and stable over the required temperature-time interval. The inorganic additive degradation temperature is higher than 1100 ° C, this allows the chemical process of heat absorption to take place over the required duration of the heat-shielding mixture 4. In this case, heat is removed from module 3 and the housing 1 is cooled. This process allows the temperature in the internal cavity of the housing 1 to be kept at a level acceptable values (up to 145 ° C).

Использование в предлагаемом способе и устройстве теплозащитной смеси 4, состоящей из борной кислоты или ее солей и неорганической добавки в качестве связующего вещества матрицы, позволило за счет термохимической реакции увеличить удельную теплопоглощающую способность смеси на 30-50% и обеспечило защиту электронного модуля меньшей на 20-30% массой смеси в течение не менее 60 минут при температуре 1100°C и 10 часов при температуре 260°C.The use in the proposed method and device of a heat-shielding mixture 4, consisting of boric acid or its salts and an inorganic additive as a matrix binder, made it possible to increase the specific heat-absorbing ability of the mixture by 30-50% due to the thermochemical reaction and ensured protection of the electronic module by 20- less 30% by weight of the mixture for at least 60 minutes at a temperature of 1100 ° C and 10 hours at a temperature of 260 ° C.

Теплозащитная смесь представляет собой прессованные стандартные (с фиксированными размерами) детали, что стандартизует и существенно облегчает процесс сборки. Теплозащитная смесь обладает стойкостью к технологическим воздействующим факторам, а также улучшает эксплуатационные характеристики устройства - совместима со всеми конструктивными элементами блока, не вызывает их коррозии.The heat-shielding mixture is a pressed standard (with fixed dimensions) parts, which standardizes and greatly facilitates the assembly process. The heat-shielding mixture is resistant to technological influencing factors, and also improves the operational characteristics of the device - it is compatible with all structural elements of the unit, does not cause their corrosion.

Claims

1. The method of thermal protection of electronic modules by removing heat using a heat-shielding mixture, characterized in that as a heat-shielding mixture using a composite mixture of boric acid or its salts and inorganic additives of mineral origin in a weight ratio of from 70:30 to 85:15, and inorganic additive of mineral origin has a temperature of degradation above 1100 ° C.

2. A device for implementing the method of thermal protection of electronic modules comprises a housing, the inner surfaces of which form a cavity for placement of electronic modules in its center, a heat-insulating gasket adjacent to the inner surface of the housing, characterized in that the space between the electronic modules and the heat-insulating gasket is filled with a composite mixture of boric acid or its salts and inorganic additives of mineral origin in a weight ratio of from 70:30 to 85:15, and inorganic add Application of mineral origin has a degradation temperature above 1100 ° C.