На начальной стадии проектирования конструкции необходимо решить вопрос о выборе способа ее охлаждения. Такой выбор можно выполнить по результатам расчета температурного режима конструкции при каждом из возможных способов охлаждения. Но такой подход требует значительных затрат времени конструктора. Способ охлаждения конструкции ВТ ориентировочно можно выбрать (рис. 4.19) по области изменения параметров (перегреву конструкции 
, удельной тепловой энергии Фу, рассеиваемой ею). Область разделяем на зоны, соответствующие каждому способу охлаждения: естественным — воздушному 1 или жидкостному 3, принудительному — воздушному 2, жидкостному 4 и испарительному 5. Нижняя часть относится к блокам, верхняя — к индивидуальным элементам.
Рис. 4.19. Диаграмма выбора способа охлаждения
Рассмотрим методику способа охлаждения.
1. Определяют минимальный допустимый перегрев нагретой зоны
,
где 
— допустимая температура нагретой зоны, К;
— максимальная температура окружающей среды, К.
2. Рассчитывают поверхность нагретой зоны, м2,
где 
— горизонтальные размеры корпуса, м;
— высота корпуса, м;
— коэффициент заполнения, равный отношению объема функциональных и монтажных элементов внутри объема к его внутреннему объему.
Для блоков при жидкостном и испарительном охлаждении значение 
рассматривают по его геометрическим размерам охлаждаемой поверхности, находящейся в контакте с теплоносителем.
3. Находят удельную мощность нагретой зоны, Вт/м2,
где Ф — мощность, рассеиваемая блоком или элементом, Вт.
4. Определяют зону, в которой лежит точка с координатами 
и 
. Если точка попадает в зону с несколькими возможными способами охлаждения, то для уточнения рассчитывают тепловой режим.
При принудительном охлаждении конструкции основная задача — это определение расхода хладагента для обеспечения нормального температурного режима комплектующих элементов. При заданном расходе хладагента, а также при естественном охлаждении можно поставить задачу определения коэффициента заполнения и геометрических размеров типовой конструкции или ее элементов либо максимально допустимой выделяемой тепловой энергии, при которой обеспечивается нормальный температурный режим.
Обычно при таких расчетах в качестве определяющего используют среднеобъемный или среднеповерхностный перегрев некоторой типовой конструкции. Поэтому в этом случае необходимо решить задачу поверхностного характера — определить перегрев отдельного элемента, находящегося в наихудших температурных условиях, и проверить для него выполнение условия теплового режима. К этому же классу относится задача перегрева при заданном способе охлаждения и геометрических размерах.
Рассмотрим механизм передачи тепловой энергии от нагретых зон в окружающую среду. В вычислительной технике с субблоками бескаркасной конструкции без теплоотводящих шин можно пренебречь передачей теплоты конвекцией по элементам крепления и монтажа (рис. 4.20). Тепловая энергия, выделяемая i -й нагретой зоной (субблоком), передается излучением с боковых поверхностей на соседние (i -1)-ю и (i +1)-ю нагретые зоны (тепловые сопротивления 
и 
) и с торцевых поверхностей к корпусу (тепловые сопротивления 
). От боковых поверхностей 1-й и N -й плат тепло передается излучением к корпусу (тепловые сопротивления 
и 
). Тепловая энергия от плат передается воздуху за счет естественной конвекции в каналах между нагретыми зонами, а также между 1-й и N -й платами и боковыми стенками корпуса (тепловые сопротивления 
).
Передачей тепловой энергии конвекцией от торцевых поверхностей плат пренебрегаем из-за малой площади поверхности. Тепловая энергия, воспринятая воздухом, конвекцией передается корпусу 
, который рассеивает ее в окружающую среду в общем случае за счет кондукции, конвекции и излучения 
Тепловая схема составляется на основании выполненного анализа механизмов передачи тепловой энергии (рис. 4.21).
Уравнения теплового баланса:
где 
— суммарная тепловая энергия, передаваемая конвекцией воздуху и затем воздухом корпусу;
суммарная тепловая энергия, выделяемая платами.
Тепловые проводимости, входящие в систему уравнений, зависят от температур плат, воздуха внутри ВТ, корпуса и окружающей корпус среды. Поэтому уравнения теплового баланса — нелинейные. Решение этих уравнений находится методом итерации, исходя из предполагаемых значений неизвестных перегревов. Основные этапы метода:
а) задают начальные значения неизвестных перегревов корпуса, воздуха и нагретых зон;
б) для данных перегревов определяют тепловые проводимости;
в) решают уравнения теплового баланса относительно неизвестных перегревов;
г) текущие значения перегревов сравнивают с предыдущими, т. е. проверяют условие
где 
— точность приближения,
п — шаг итерации.
Если данное условие выполнено, то решение получено, иначе вычисления продолжаются, начиная со второго этапа.
Вывод. Тепловой режим зависит от мощности источников и стоков тепловой энергии и принудительной системы охлаждения, температуры окружающей среды и условий теплообмена. Температурный режим влияет на надежность и помехоустойчивость ВТ. Конструкция ВТ должна обеспечивать нормальный тепловой режим, что достигается проектированием способов охлаждения и разработкой соответствующих элементов и узлов. Задача обеспечения нормального теплового режима более важна с ростом быстродействия и уровня интеграции элементной базы. Наибольшей эффективностью обладает принудительное жидкостное охлаждение, но его реализация связана со значительным усложнением конструкции.
Атмосферные воздействия
Защита конструкций от атмосферных воздействий предполагает защиту от влаги, солнечной радиации, биологической среды, пыли, атмосферного давления. Уменьшение влияния указанных воздействий на ВТ, его блоки, сборочные единицы и детали может быть обеспечено следующими мероприятиями:
а) разработкой конструкций с применением таких материалов, которые не изменяют своих свойств от внешних воздействий (нержавеющие стали, бронзы, титановые сплавы, специальные пластмассы и т. п.);
б) покрытием и пропиткой деталей и сборочных единиц специальными смолами, лаками, металлом или его оксидами;
в) полной изоляцией ВТ, блока или сборочной единицы от внешней среды (герметизация) путем заливки, обволакивания и заключения их в герметизированный корпус.
Защита покрытиями
Защита деталей ВТ от внешних воздействий может быть осуществлена следующими методами: а) негальваническими (металлических и неметаллических); б) химическими; в) гальваническими.
Негальванические покрытия. К металлическим покрытиям относятся: вакуумное испарение практически любым металлом и почти на любые подложки (толщина слоя зависит от скорости и времени испарения вещества); катодное распыление (перенос металла с катода на анод при тлеющем разряде в газах); горячее распыление (расплавленный металл распыляется сжатым газом, толщина пленки от 30 мкм до нескольких миллиметров), которым можно нанести любое металлическое покрытие на поверхность любого материала. К неметаллическим покрытиям относятся лакокрасочные, которые представляют собой пленкообразующие вещества, наносимые в один или несколько слоев на защищаемую поверхность. Такие покрытия химически более инертны, чем металлические, но имеют меньшую механическую прочность.
Химические покрытия. К ним относятся оксидирование, пассивирование, фосфатирование, азотирование, анодирование.
Оксидирование бывает щелочное, бесщелочное и химическое. Щелочное оксидирование выполняется в горячих концентрированных растворах щелочей в присутствии различных окислителей (температура процесса 140—145°С, время выдержки 60—90 мин в зависимости от процентного содержания углерода в стали). Бесщелочное (кислотное) оксидирование стальных деталей образует защитную пленку порядка 15 мкм из фосфатов кальция и оксидов железа. Химическое оксидирование алюминия и его сплавов ведут в растворах, содержащих щелочь и хроматы щелочных металлов. Оксидирование меди и ее сплавов происходит в щелочно-сульфатных растворах.
Пассивированием называется образование очень тонких оксидных пленок на цветных металлах с участием оксидов хрома. Пассивирование производят в подкисленном растворе хромпика.
Фосфатирование является химической реакцией, при которой происходит кристаллизация фосфатов на поверхности, причем в реакции участвует металл основания.
Азотирование состоит в насыщении поверхности стальных деталей азотом в потоке аммиака при температуре 500—650°С.
Анодированием называется процесс образования оксидной пленки на поверхности алюминия и его сплавов в электролитах под действием тока. Это покрытие применяется для защиты от коррозии, для создания электроизоляционной пленки и повышения износоустойчивости поверхностного слоя. Анодированные изделия могут окрашиваться в любой цвет органическими и специальными красителями.
Гальванические покрытия. Толщина покрытия выбирается в зависимости от материала покрытия: для бронзового, кадмиевого, латунного, никелевого, серебряного, хромового составляет от 1 до 60 мкм, для золотого, палладиевого, платинового и родиевого — от 0,25 до 12 мкм.
Никелевое покрытие характеризуется хорошими антикоррозионными свойствами. На черные металлы оно наносится обычно на подслой меди или никеля. В этом случае толщина покрытия составляет 0,5—0,6 мкм.
Цинковое покрытие имеет сравнительно низкие твердость и стойкость в атмосфере, насыщенной морскими испарениями. Применяется для черных металлов. Слой цинка выдерживает вальцовку и гибку, но плохо поддается сварке и пайке.
Кадмиевое покрытие устойчиво в морской воде. Защитные свойства кадмия, как и цинка, зависят от толщины покрытия, которая составляет 10—20 мкм. Кадмиевое покрытие по меди хорошо поддается пайке и применяется в условиях тропического климата.
Серебрение применяют для защитных целей, улучшения электропроводности и облегчения пайки, уменьшения переходного сопротивления контактируемых поверхностей. Серебрению подвергаются детали из меди и ее сплавов.
Золочение характеризуется высокой химической стойкостью в условиях повышенной влажности и агрессивных средах. Применяется для ответственных контактных деталей, изготовленных из меди и ее сплавов. Это покрытие очень мягкое. Для повышения твердости применяют золочение с добавкой 0,17% никеля.
Родирование используется для защиты от коррозии ответственных наружных деталей, а также для предохранения от потускнения серебряных и никелевых покрытий. Эти покрытия обладают высокой твердостью, отражательной способностью и не окисляются на воздухе до 1100°С.
Защита герметизацией
Герметизация электроизоляционными материалами может производиться заливкой и обволакиванием. Степень защиты определяется влагопроницаемостью используемого материала, толщиной слоя и адгезией с элементами конструкции (особенно с выводами).
Влияние материала на параметры защищаемого изделия зависит от диэлектрической проницаемости, потерь, объемной и поверхностной электропроводности, усадки, теплопроводности и др. Заливка может рассматриваться как заключение изделия в своеобразный корпус, стенки которого вплотную примыкают к поверхности изделия, полностью вытесняя весь воздух из объема. Если слой заливки меньше 1 мм, то при длительном непрерывном воздействии влага проникает непосредственно сквозь него. Так, через слой эпоксидного компаунда толщиной 0,5 мм влага проникает за 30 суток. Влагостойкость пенопласта хуже, чем монолитного полимера с твердым наполнителем.
При заливке механическая прочность существенно повышается. Это также приводит к увеличению внутренних механических напряжений, возникающих за счет различных температурных коэффициентов линейного расширения (ТКЛР) компаунда и заливаемых деталей. На ТКЛР компаунда можно влиять введением наполнителя. Так, ТКЛР полимеризованной эпоксидной смолы без наполнителя составляет примерно 70-10-6 град-1, а с наполнителем в виде пылевидного кварца — в два раза меньше. ТКЛР материалов деталей, входящих в состав сборочных единиц, лежат в пределах от 4-10-6 град-1 (керамика) до 16-10-6 град-1 (медь). Некоторое снижение напряжений достигается введением в компаунд пластификатора.
В большей степени амортизирующую роль может выполнить обволакивающий слой эластичного пенопласта, в котором сжатию подвергаются пузырьки газа в порах. В настоящее время лучшие показатели имеют пенополиуретаны, вспенивающиеся и отверждаемые при комнатной температуре. Наиболее совершенным средством защиты изделий от влаги считается вакуумная герметизация. Такая герметизация корпусов может быть с разъемными и неразъемными швами: первая используется для защиты сравнительно больших контейнеров с ремонтопригодной аппаратурой; вторая — главным образом для малогабаритных блоков и сборочных единиц.
Швы разъемных конструкций обеспечивают специальными прокладками из свинца, алюминия, красной меди, резины или специальных пластиков. При применении прокладок важное значение имеют чистота соединяемых поверхностей и отклонение их от плоскостности. Резиновые прокладки следует применять цельными, преимущественно круглого сечения, полученными вулканизацией в пресс-форме. Для уменьшения влажности в разъемных конструкциях применяют осушители (например, силикагель).
Неразъемные швы в основном получают пайкой (горячей или холодной). Качество паяных швов зависит от материала корпусов и технологии пайки. Корпуса изготавливают из холоднокатаной стали (0,3—0,5 мм), латуни (0,25 — 0,8 мм) и алюминия (0,3 — 0,8 мм). В отдельных случаях корпуса могут быть керамическими, для этого места пайки покрываются серебром путем нанесения пасты из углекислого серебра и скипидара с последующим обжигом при температуре 800 °С. Пайка с серебряными слоями на керамике должна производиться припоем ПОС-61 с 3%-ной добавкой серебра.
Сварные швы допускают большие механические нагрузки и выдерживают большие перепады температур (от -60 до +200°С). Для контактного и роликового способов электросварки целесообразно использовать корпуса из холоднокатаной стали толщиной 0,25—0,5 мм, а для дуговой сварки толщина должна быть больше 1 мм. Холодная сварка может применяться только для алюминия толщиной более 0,8 мм.
Вакуум-плотная герметизация выводов выполняется с помощью различных конструкций специальных изоляторов.