Устройство защиты электронных модулей

Изобретение относится к устройствам защиты электронных модулей (элементов) от тепловых и механических перегрузок в условиях аварийных ситуаций. Устройство защиты электронных модулей предусматривает предохранение электронных компонентов от тепловых перегрузок путем комбинации конструктивных слоев защиты, вложенных друг в друга. Устройство представляет собой систему защитных оболочек с размещенными между ними материалами пассивно-полуактивной и активной тепловой защиты. Композиционные материалы тепловой защиты в интервале значений температур воздействующего теплового потока разлагают содержащиеся в них термоактивные вещества с выделением паров сорбированной воды и углекислого газа, что способствует активному поглощению тепла при реакции выделения молекул воды и фазового перехода воды в парообразное состояние. Технический результат - увеличение времени удержания допустимой температуры и, как следствие, повышение эффективности защиты электронных модулей от тепловых перегрузок. 1 ил.

 

Заявляемое изобретение относится к устройству защиты электронных модулей (элементов) от тепловых и механических перегрузок в условиях аварийных ситуаций.

Для эффективной защиты от тепловых перегрузок и удержания температуры модуля памяти на уровне не выше 150°С (302°F) используют композиционные материалы, обладающие способностью тормозить (приостанавливать) продвижение теплового фронта внутрь устройства. Основу таких материалов составляет термоактивное вещество, в объеме которого при тепловом воздействии протекают эндотермические (поглощающие тепло) процессы, например фазовые переходы вещества, плавление или кипение. Например, теплозащитный композитный материал-покрытие по патенту РФ №2142596 (МПК⁶ F16L 59/02, C09K 5/06, В32В 3/26, приоритет от 1998.11.30) предназначен для защиты различных объектов от мощных тепловых воздействий (нежелательного перегрева, пламени, короткого замыкания, различных излучений и т.д.), в результате которых может иметь место пожар или выход из строя приборов, оборудования и т.п. и состоит из пористой матрицы с открытыми порами и помещенного в эти поры гигроскопичного вещества. В качестве пористой матрицы используют неорганические оксиды, углеродные сорбенты, полимеры, природные сорбенты, пористые металлы, пористые композиты или их смеси с открытыми порами размером 5-100 нм, а в качестве гигроскопичного вещества в поры помещают неорганические соли, их смеси или их растворы с содержанием влаги более 6 молекул воды на каждый ион металла при температуре окружающей среды от -10 до +50°С, давлении 700-1500 кПа и влажности воздуха более 15%. В качестве неорганических солей используют галогениды, нитраты, сульфаты щелочных и щелочноземельных металлов. Материал может быть спрессован или включен в другую матрицу со связующим. В системах теплоснабжения и кондиционирования используют теплоаккумулирующий материал по патенту РФ №2042695 (МПК⁶ С09K 5/06, приоритет от 1990.06.15), состоящий из гексагидрата хлорида кальция СаСl26Н2O, распределенного в пористой матрице из силикагеля с размерами пор 10 100 нм. Получение теплоаккумулирующего материала осуществляют путем пропитки матрицы раствором хлорида кальция 30-40%-ной концентрации по влагоемкости силикагеля с последующей сушкой при температуре 200-250°С в течение 10-20 мин и гидратацией на влажном воздухе 60-100 отн. в течение 8-10 ч.

Известно термоактивное вещество (патент US №4694119, Н05K 5/04, 1987), содержащее амидную ваксу с температурой плавления несколько ниже температуры, предельно допустимой для защищаемого накопителя информации. При этом способ защиты от высокой температуры и тепловых потоков, возникающих при аварии, состоит в том, что поступающее снаружи через защитные оболочки тепло приводит к плавлению ваксы, а температура накопителя сохраняется на приемлемом уровне до тех пор, пока плавление не закончится.

Известна также синтетическая вакса с повышенной теплотой плавления, что позволяет увеличить время тепловой защиты (патент US №4944401, В65D 81/02, 1990).

Известны аварийно-эксплуатационные системы сбора и регистрации полетной информации КАРАТ (Проспект ОКБ "АВИААВТОМАТИКА" ОАО "Прибор": Курск, 2000 - 2 стр.), в которых обеспечиваются прием, обработка информации, поступающей по цифровым и аналоговым линиям связи от бортовых систем, самолетного переговорного устройства, ее регистрация на твердотельный накопитель и сохранение в случае летного происшествия в экстремальных температурных условиях: до 1100°С - в течение 60 минут, при температуре 260°С - в течение 10 часов.

Недостатком вышеописанных устройств является то, что для термостатирования электронных модулей памяти используют вещество с температурой плавления несколько ниже, чем предельно допустимая температура хранения для электронных компонентов в соответствии с их техническими характеристиками. При этом удельная теплота плавления предлагаемых вакс относительно невелика и составляет не более 300 Дж/г, а следовательно время удержания температуры электронного модуля на допустимом уровне - невысоко (при одинаковом объеме защиты).

Указанные устройства не обеспечивают отвод выделяющейся в электронной схеме теплоты при высокой температуре среды, что делает невозможным работу бортового регистратора в процессе аварии и после нее. Кроме того, защиту от ударов и повышенного давления в устройстве обеспечивают теплозащитные материалы и корпус, которые при пожаре разлагаются. Если же устройства попадут в среду с повышенным давлением или испытают сильный удар уже после воздействия пожара, то электронные схемы могут оказаться недостаточно защищенными. Все перечисленные факторы отрицательно влияют на надежность и эффективность тепловой и механической защиты электронных модулей внутри известного устройства.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является устройство для изоляции электронных блоков от ударного и теплового воздействия окружающей среды, содержащее наружную металлическую оболочку (корпус), окружающую защищаемое электронное устройство. Между внутренней поверхностью корпуса и электронным устройством последовательно размещены теплоизолирующий слой, слой воскоподобного материала с высокой теплотой плавления, испытывающий фазовое превращение, и слой упругого резиноподобного материала, амортизирующего механические удары, со всех сторон охватывающий плату с электронными элементами. При нагреве воскоподобный материал плавится, поглощая избыточную теплоту. От расплавленной массы материала электронные элементы отделены герметично покрывающим их слоем резиноподобного материала, который получают в процессе сборки устройства. Для этого полость вокруг электронного устройства заполняют этим материалом в гелеобразном состоянии, а затем подвергают его вулканизации (патент США №5438162, H01L 23/28, опубл. 01.08.95 г.). В указанном устройстве теплоизолирующий слой выполнен составным из двух частей, плотно прилегающих друг к другу, на внутренней стороне каждой из которых имеется углубление. В образовавшейся при этом полости размещается заранее сформированный слой воскоподобного материала, также состоящий из двух частей и выполненный из синтетических органических восков амидного типа или твердого раствора пентаэритритола. Температура возгорания одного из таких предлагаемых для использования материалов под торговым названием Acrawax НМ23 составляет 277°С, а температура его плавления - 140°С. У другого материала (Acrawax С) температура возгорания 271°С, температура плавления - 120°С. Для пентаэритритола температура плавления составляет 258-260°С, а температура фазового перехода в твердом состоянии - 184-185°С. Учитывая, что упругий слой, размещенный внутри полости в слое воскоподобного материала, согласно изобретению, выполнен из силиконовой резины и имеет теплопроводность, сходную с теплопроводностью воскоподобного материала, очевидно, что температура вокруг защищаемого электронного устройства не может быть ниже 120°С, что превышает предельно допустимую рабочую температуру большинства электронных регистраторов данных (около 100-110°С). Указанное устройство тем более не может обеспечить нормальный тепловой режим электронных компонентов при наличии в них значительных внутренних выделений теплоты во время внешнего аварийного температурного воздействия, так как внутренний слой амортизирующего материала герметично охватывает электронное устройство и тем самым препятствует поглощению его тепловыделений плавящимся веществом. Указанное устройство не обеспечивает также и надежной защиты электронных плат от ударных и проникающих воздействий, в особенности после и во время пожара, так как прочностные свойства металлического корпуса ухудшаются при воздействии на него высоких температур. Например, конструкции, изготовленные из недорогих титановых сплавов, как в известном устройстве, существенно не изменяют своих прочностных свойств лишь до достижения ими температуры 500-600°С, а при 800°С их прочность уменьшается в 1,5-2 раза по сравнению с прочностью при 20°С. В то же время температура наружной поверхности устройства при пожаре достигает практически 800-1000°С. Кроме того, в известном устройстве при выходе из строя отдельного элемента электронного устройства необходимо производить замену всей платы целиком, поскольку она покрыта сверху цельным слоем амортизирующего материала, снять который (отшелушить, как следует из описания) без нарушения целостности электронных микросхем и контактных связей между ними представляется весьма затруднительным, что существенно снижает ремонтопригодность всего устройства.

Изобретение решает задачу повышения эффективности и надежности тепловой защиты электронных модулей при аварийных воздействиях различного характера за счет снижения максимальной температуры внутри защитного корпуса при работе в аварийных условиях и обеспечения отвода внутренних тепловыделений накопителя информации при работе в нормальных условиях, а также повышения ремонтопригодности устройства в целом.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является увеличение времени удержания допустимой температуры и, как следствие, повышение эффективности защиты электронных модулей от тепловых перегрузок.

Поставленная задача решается следующим образом. Изобретение предусматривает предохранение электронных компонентов от тепловых перегрузок путем комбинации конструктивных слоев защиты, вложенных друг в друга. Устройство представляет собой систему защитных оболочек с размещенными между ними материалами пассивно-полуактивной и активной тепловой защиты, позволяющую технологично производить сборку, разборку и ремонт защищаемых блоков. Композиционные материалы тепловой защиты в интервале значений температур воздействующего теплового потока разлагают содержащиеся в них термоактивные вещества с выделением паров сорбированной воды и углекислого газа, что способствует активному поглощению тепла при реакции выделения молекул воды и фазового перехода воды в парообразное состояние. Предлагаемое решение позволяет получить теплоту дегидратации кристаллов углекислой соли, содержащейся в общей матрице тепловой защиты до 2200 Дж/г, что позволяет увеличить продолжительность теплозащитного действия (время удержания допустимой температуры). Заявляемое изобретение обеспечивает свободный объем общей пористой матрицы всех деталей в диапазоне температур от минус 60°С до 85°С для сохранения 40% относительной влажности воздуха в герметичном корпусе. Детали предварительно отпрессовывают из термоактивных материалов с открытыми порами до 10 мкм, гидрофобной поверхностью и заданной плотностью. Геометрические параметры деталей не изменяются в диапазоне температур от -60°С до +85°С.

На фиг. 1 представлены устройство и среда защиты электронного модуля от тепловых и механических перегрузок. Конструктивный слой защиты I включает внешний кожух 1, слой огнезащитного состава 2 и корпус защищенного блока 3. В слое защиты I, при воздействии факторов авиационного происшествия происходит разрушение внешнего алюминиевого корпуса 1 в результате воздействия сдавливания, прокола штырем и последующее его плавление (700°С). От воздействия механических факторов защищает корпус защищенного блока 3, изготавливаемый из закаленной стали, имеющий цилиндрическую геометрическую форму для дополнительной прочности. Огнезащитный вспенивающийся состав СГК-2 при воздействии высокой температуры интенсивно окисляется и выделяет в полости А, В, С, D темную сажу, препятствующую прохождению теплового потока.

Конструктивный слой защиты II включает слой пассивно-полуактивной тепловой защиты 4 и слой активной тепловой защиты 5. Пассивно-полуактивная тепловая защита представляет собой формируемый термоактивный материал, состоящий из смеси волокон минеральной ваты, углекислых солей разной энергоемкости и связующих компонентов, в качестве связующих компонентов применяют фенолформальдегидные смолы. Слой пассивно-полуактивной тепловой защиты содержит в массе (общей матрице) тепловой защиты углекислые соли MgCO₃ и LiCO₃, имеющие большую энергоемкость реакций выделения углекислого газа. Плавление кристаллов карбоната магния MgCO₃ происходит при температуре 350°С с теплоемкостью 1263 Дж/г, а кристаллов карбоната лития LiCO₃, при температуре 735°С с теплоемкостью 3062 Дж/г. Под воздействием температуры 1100°С в течение 1 часа ресурс по выделению углекислого газа полностью исчезает и материал тепловой защиты становится пассивным с невысоким коэффициентом теплопроводности, под воздействием температуры 260°С в течение 10 часов теплозащитные свойства термоактивного вещества изменяются незначительно. Таким образом слой пассивно-полуактивной тепловой защиты осуществляет стабилизацию температуры теплового потока на уровне (700-750)°С и одновременно понижает мощность теплового потока.

Активная тепловая защита 5 представляет собой формируемый термоактивный материал, состоящий из кристаллогидрата сульфата магния и связующих компонентов, в качестве связующих компонентов применяют полимерные материалы. Дегидратация кристаллов сульфата магния, гидрата MgSO₄*7H₂O происходит при температуре 150°С с выделением шести молекул воды (43,8% к общей молекулярной массе). Пары сорбированной воды пропитывают пористую массу активной и пассивно-полуактивной теплозащиты, теплоемкость дегидратации и фазового перехода воды в парообразное состояние превышает 2200 Дж/г. За время пребывания защищенного блока в огневой среде (фиг. 2) температура внутри корпуса электронного модуля не превышает (110-120)°С.

Конструктивный слой защиты III включает корпус электронного модуля 6, электронные компоненты 8 залитые компаундом 7. Корпус электронного модуля 6 имеет герметичную конструкцию и изготавливается из титана. Корпус обеспечивает защиту электронных компонентов от разрушения при воздействии динамического удара, глубоководного давления и агрессивных жидкостей, при этом компаунд, в котором находятся электронные компоненты, обеспечивает демпфирование ударной волны и дополнительную герметизацию электронных модулей.

Промышленная применимость устройства подтверждается проведением испытаний макетного образца блока ЗБН (блок защищенного накопителя) в соответствии с требованиями международного стандарта TSO-С124 и ОСТ 1 01080-95. По результатам испытаний установлено, что температура на электронных компонентах модуля памяти блока ЗБН за время проведения испытаний соответствует требованиям по сохранности информации, разрушения электронных компонентов при воздействии механических факторов не происходит. Изобретение позволяет создавать малогабаритные конструкции накопителей информации со сниженными массо-весовыми характеристиками.

Устройство защиты электронных модулей, содержащее внешний кожух, слой огнезащитного состава СГК-2, покрывающий корпус защищенного блока, пассивно-полуактивную тепловую защиту, вложенную в корпус защищенного блока, слой активной тепловой защиты, вложенный в пассивно-полуактивную тепловую защиту, внутренний корпус электронного модуля, вложенный в активную тепловую защиту, электронные компоненты, залитые компаундом, отличающееся тем, что дополнительно содержит комбинацию последовательно вложенных друг в друга слоев механической защиты, слоев активной и пассивной тепловой защиты, представляющих собой композиционные материалы, состоящие из смеси волокон кремний-органической минеральной ваты, углекислой, кислой солей, кристаллогидрата и связующих компонентов, которые в интервале значений температур воздействующего теплового потока (260-1100)°C, разлагают содержащееся в них термоактивное вещество с выделением паров сорбированной воды и углекислого газа, и обеспечивают тем самым стабилизацию температуры внутри модуля на уровне (110-120)°C; причем корпус защищенного блока из закаленной стали или титана, своей цилиндрической геометрической формой обеспечивает дополнительную механическую прочность и защиту внутренних слоев от разрушения при воздействии проникающего удара штырем и воздействия статического нагружения; слой пассивно-полуактивной тепловой защиты, состоящий из кремний-органического материала (минеральной ваты) с добавлением углекислых солей MgCO₃ и LiCO₃ , обеспечивающий защиту внутренних слоев от воздействия высокотемпературных внешних тепловых потоков за счет низкой теплопроводности и эндотермических химических реакций внедренных углекислых солей; слой активной тепловой защиты, состоящий из композитного материала, включающего кристаллогидрат MgSO₄*7H₂O и полимерные связующие компоненты, обеспечивающий защиту внутренних слоев от воздействия высокотемпературных внешних тепловых потоков за счет эндотермических реакций разложения кристаллогидратов и испарения выделенной воды и как следствие стабилизации температуры внутреннего контейнера на уровне (110-120)°C; при этом внутренний корпус электронного модуля герметичной конструкции, изготовленный из титана, обеспечивает защиту электронных модулей от разрушения при воздействии динамического удара, глубоководного давления и агрессивных жидкостей, а пространство контейнера с электронными модулями залито компаундом, обеспечивающим демпфирование ударной волны и дополнительную герметизацию электронных модулей.