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热冲击作用下电子元器件毁伤响应研究
摘要
随着船舶技术的发展,现代船舶越来越依赖于复杂和先进的电子设备系统,以确保
高效和安全的航行,这些电子设备对温度极为敏感,在船舶面临高温热冲击等极端环境
时,电子设备内部元器件会产生较大温差和热应力,引发结构性损坏。因此,本文针对
高温热源热冲击及甲烷爆炸热冲击两种热冲击现象进行数值研究,得到电子元器件的温
度及热应力分布特点,获得电子元器件的毁伤响应规律。通过研究热冲击下电子元器件
的毁伤响应,为提高电子设备的可靠性和确保船舶安全提供一定参考。
首先,以公开文献中各电子元器件的应用范围、功能作用及热毁伤温度作为选取依
据,对试验及仿真中电子元器件进行选取,最终选择二极管、IGBT、铝电解电容、钽电
容、陶瓷电容、金属膜电阻及PCB板组成的等效电子设备作为试验及仿真的研究对象。
其次,通过等效电子设备热毁伤试验,分析了电子元器件热毁伤时间、毁伤时最大
温度与热源温度之间的关系。结果表明:随着热源温度升高,热毁伤时间逐渐变短,电
子元器件热毁伤时的最大温度无明显变化,并以最大温度作为数值模拟的温度毁伤判据。
然后,针对高温热源热冲击问题,采用层流模型及S2S辐射模型进行模拟,计算了
不同热源强度、距离、方位及外壳材料条件下的电子设备热吸收功率,并分析了电子设
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备的热毁伤响应。研究表明:在50kW/m-100kW/m的热源强度下,由热冲击引发的热
应力主要聚集在钽电容器以及铝电解电容器的顶端外壳部位,但热应力较小尚不足以对
这些器件的整体结构产生明显毁伤,热源强度增加,热吸收功率曲线峰值增幅明显,对
电子元器件毁伤效果增强;热源位于电子设备与壁面中间位置时,电子元器件最不容易
毁伤;热源位于电子设备下方时,相较热源位于电子设备上方、X轴侧方与Y轴侧方更
容易毁伤;金属外壳的电子元器件更容易毁伤,聚酰亚胺外壳对电子元器件的保护效果
最好。
最后,采用EDC模型并耦合methane-air化学反应机理,针对甲烷爆炸热冲击问题
进行研究。从甲烷浓度、点火能量及初始温度角度出发,研究了甲烷爆炸产生的超压、
温度变化规律,计算电子元器件的应力及温度变化,并分析不同情况下电子元器件的热
毁伤响应,得出以下结论:电子设备主要的热毁伤原因为铝电解电容中铝材料的应力过
大导致失效;在8%-12%浓度的甲烷-空气预混气体爆炸情况下,10%浓度下造成的毁伤
破坏最强,毁伤时间为0.0173s,8%浓度时电子元器件最不容易毁伤,毁伤时间增加近
6倍;甲烷爆炸对电子元器件的毁伤效果随点火能的增大而增强,爆炸压力由0.597MPa
哈尔滨工程大学专业学位硕士学位论文
增大至0.678MPa,最高温度随点火能增加呈二次函数形式上升;甲烷预混气体初始温度
增大,压力峰值的出现变快,最大压力减小,最大温度增大,受热应力和压力的共同作
用,热毁伤时间变化较小。
关键词:热冲击;电子元器件;高温热源;甲烷爆炸
热冲击作用下电子元器件毁伤响应研究
Abstract
Withthedevelopmentofshiptechnology,modernshipsincreasinglyrelyoncomplexand
advancedelectronicequipmentsystemstoensureefficientandsafenavigation.Theseelectronic
devicesarehighlysensitivetotemperature,andwhenshipsfaceextremeconditionssuchas
high-temperaturethermalshocks,thethermalimpactcanleadtosignificanttemperature
differentialsandthermalstresseswithintheelectronicdevices,resu