电子设备可靠性热设计

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1、电子设备可靠性设计－－热设计张晓明中国赛宝实验室可靠性研究分析中心热环境是影响电子产品的性能和可靠性重要因素。温度对大多数失效机理有加速作用。著名的Arrhenius方程：式中：ML(T2)和ML(T1)是在T2和T1温度下的寿命Ea是激活能k是Boltzmann常数，8.6210-5eV/K，T1和T2是开氏温度。电子设备的故障率随温度的增加呈指数规律上升。寿命与温度、激活能关系（300K）失效模式、失效机理要与激活能寿命与温度、激活能关系（400K）温度对半导体器件的影响最为敏感。半导体器件故障率

2、随温度的增加呈指数规律上升。温度对电阻器和电容器的影响也很大。温度的升高导致电阻的使用功率下降。如碳膜电阻，当环境温度为40℃时，允许的使用功率为标称值的100%；环境温度增到100℃时，允许使用功率仅为标称值20%。又如RJ-0.125W金属膜电阻，环境温度为70℃时，允许使用功率仅为标称值的20%。温度的变化对阻值大小有一定的影响，温度每升高或降低10℃，电阻值大约要变化1%。温度对电容器的影响主要是每升高10℃，使用时间就要下降一半，绝缘材料的性能也下降。§1概述1.1电转换成热1.2空气动力的加

3、热1.3机械摩擦转换成热量1.4来自电子设备所处的环境热量1.1电转换成热当电流通过导体、气体、真空时将有能量损失；处于交变磁场中的磁性材料将有磁滞损失，交变磁场中的非磁性导电材料有涡流损失；处于交变电场中的绝缘材料有介质损失。这些损失所产生的热能是由电能转换而来的。1.2空气动力的加热高速飞行的导弹以及其它的飞行器，由于空气阻力的作用，在设备的外壳上将产生大的热量。这些热量将传到装在飞行器内的电子设备中，这就是空气动力产生的热量。1.3机械摩擦转换成热量为了克服机械运动过程中的摩擦力将损失部分能量，这

4、又是一种热能的转换形式。1.4来自设备所处的环境的热量设备所使用地点不同和载体用途不同，其环境温度大不相同。月球表面在太阳辐射下温度可达274℃。石油测井仪在进入地下300米可达300℃。在太阳直接辐射的地面，温度可达60℃以上减少设备（线路）内部产生的热量，应该是电路设计的一项指标；减少热阻，是电子设备结构设计的目的之一；保证电气性能稳定，热设计使元件不在高温条件下工作，以避免参数漂移，保持电气性能稳定；改善电子设备的可靠性；廷长使用寿命。热设计的对策和目的冷却方法电子设备的冷却方法有多种，可以单独或

5、由几种冷却方法联合作用，将热量从设备中带走，或传到设备外的周围介质中去。按冷却剂与被冷却元件之间的配置关系可分为直接冷却和间接冷却，按传热的机理分有自然冷却，强迫冷却、蒸发冷却、半导体致冷等方法。本章小结温度与可靠性关系－－Arrhenius方程热量来源－－能量转换热设计的目的－－热量、热阻、电性能稳定性、可靠性、寿命等§2热设计要求2.1热设计基本要求2.2热设计应考虑的问题2.3电子设备热设计基本程序2.4热设计常用的技术措施2.1热设计基本要求热设计应满足设备可靠性的要求。热设计应满足设备预期工作

6、的热环境的要求。环境温度和压力（或高度）的极限值；环境温度和压力（或高度）的变化率；太阳或周围其它物体的辐射热载荷；可利用的热沉状况（包括：种类、温度、压力和湿度等）；冷却剂的种类、温度、压力和允许的压降（对于由其它系统或设备提供冷却剂进行冷却的设备而言）。热设计应满足对冷却系统的限制要求。热设计应符合与其有关的标准、规范规定的要求。2.2热设计应考虑的问题应对可供选择的冷却方法进行权衡分析，使设备的寿命周期费用降至最低，而可用性最高。热设计必须与维修性设计相结合，提高设备的维修性。对于强迫空气冷却，冷

7、却空气的入口应远离其它设备热空气的出口，以免过热。不能二次利用冷却空气进行冷却。应考虑太阳辐射给电子设备、设备保护罩、运输车厢及飞机带来的严重热问题，应有相应的防护措施。使元器件的温度波动减少到最低程度。2.3电子设备热设计基本程序根据电子设备的寿命剖面和任务剖面，确定设备的热环境。设备周围的空气温度、湿度、气压和空气流速、设备周围物体的形状和黑度、日光照射等。热分析，确定各个传热环节的热阻。热设计：系统热设计应与电路和结构设计同步进行，应尽量减少电路发热量；减少热元件的数量；选择耐热性和热稳定性好的元

8、器件，在结构设计时应合理地选择冷却方法；进行传热通道的最佳设计；尽量减少热阻热设计评审：请专家对发热、传热、散热、温度分布、最高允许温度、温度降额和结构设计等逐项评审，以便发现问题，及时纠正。热试验和热测量：热测量是指对电子设备的样机或模型的各种热性能参数的测量，其目的在于检验热设计的效果或是预计该设备可能达到的热性能指标，并对冷却系统的适用性和有效性进行评价。检查所设计的冷却系统是否达到预定的技术指标；对各种电子设备和机柜，集中发热元器件