电子设备热设计基本知识.pptx

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1、北京航空航天大学电子设备热设计付桂翠热设计基本知识热设计理论基础热设计的方法热分析热试验电子设备热设计热对系统可靠性的影响热设计的目的热设计的有关概念热控制的基本形式热设计基本知识热对系统可靠性的影响高温对大多数元器件将产生严重影响，它导致元器件性能改变甚至失效，从而引起整个电子设备的故障。图1元器件的失效率与温度的关系热对系统可靠性的影响元器件类别基本失效率，λb（10-6/h）温升△T（℃）高温与室温失效率之比高温室温PNP硅晶体管0.063（在130℃和应力比0.3）0.0096（在25℃和应力比0.3）1057:1NPN

2、硅晶体管0.033（在130℃和应力比0.3）0.0064（在25℃和应力比0.3）1055:1玻璃电容器0.047（在120℃和应力比0.5）0.001（在25℃和应力比0.5）9547:1变压器与线圈0.0267（在85℃）0.0008（在25℃）6033:1碳膜合成电阻器0.0065（在100℃和应力比0.5）0.0003（在25℃和应力比0.5）7522:1不同工作温度部分元器件的基本失效率(摘自GJB/Z299B）热对系统可靠性的影响平均故障间隔时间（MTBF）是表征电子设备可靠性的一个主要参数，当电子设备寿命呈指数分

3、布时，其平均故障间隔时间：该式中：以金属膜电阻器为例：金属膜电阻器的工作失效率计算公式如下：热对系统可靠性的影响据统计（1）电子设备的失效原因中有55％是由于温度过高引起的。（2）电子元器件温度每升高10℃，其可靠性下降一倍。摘自美空军整体计划分析报告热量产生的原因电子设备经受的热应力来源于以下几个方面：（1）工作过程中，功率元件耗散的热量。（2）电子设备周围的工作环境，通过导热、对流和辐射的形式，将热量传递给电子设备。（3）电子设备与大气环境产生相对运动时，各种摩擦引起的增温。热设计的目的电子设备的热设计系指利用热传递特性对电

4、子设备的耗热元件以及整机或系统采用合适的冷却技术和结构设计，以对它们的温升进行控制，从而保证电子设备或系统正常、可靠地工作。热传递的方式：传导、对流、辐射。一般来说，这三种形式在电子系统的热传输中所占的比例分别为60％、20％、20％。热设计的有关概念（1）热设计利用热传递特性通过冷却装置控制电子设备内部所有电子元器件的温度，使其在设备内所处的工作环境条件下，不超过规定的最高允许温度的设计技术。（2）热评估：评估电子设备热设计是否合理的方法和手段。（3）热分析又称热模拟，是利用数学的手段，通过计算机模拟，在电子设备的设计阶段获得

5、温度分布的方法，它可以使电子设备设计人员和可靠性设计人员在设计初期就能发现产品的热缺陷，从而改进其设计，为提高产品设计的合理性及可靠性提供有力保障。（4）热试验：将电子设备置于模拟的热环境中，测量其温度或温度分布。热设计的有关概念（5）热流密度单位面积的热流量。（6）体积功率密度单位体积的热流量。（7）热阻热量在热流路径上遇到的阻力（内热阻、外热阻、系统热阻）。温差越大，热流量就越大。△T＝RQ热阻的单位是℃/W。热设计的有关概念内热阻：产生热量的点或区域与器件表面指定点（安装表面）之间的热阻。晶体管和微电路的内热阻是指结到外壳

6、间的热阻θjc。外热阻：器件上任意参考点（安装表面）与换热器间，或与设备、冷却流体或环境交界面之间的整个热阻。系统热阻：设备外表面与周围空间或换热器与冷却流体间的热阻。热设计的有关概念接触热阻：当热通过两个接触表面的交界面时，出现一种导热的特殊情形。在接触面上有很大的温差。接触表面之间的交界面是效率很低的传热通路降低接触热阻的有效方法：接触面积大；表面平滑；接触材料软；接触压力大；接触压力均匀；在交界面上有导热填充剂。（8）热阻网络热阻的串联、并联或混联形成的热流路径图。（9）功耗电子设备工作时需要电功率，因为元器件并非完全有效

7、，因而有不少功率转换成热。如果找不到一条通路来散热，温度就会升高。最重要的热流量是功耗。（10）冷板利用单相流体强迫流动带走热量的一种换热器。（11）热沉是一个无限大的热容器，其温度不随传递到它的热能大小而变化。它可能是大地、大气、大体积的水或宇宙等。又称热地。也称“最终散热器”。HeatSink热设计的有关概念热设计的有关概念对流：固体表面与流体表面传热的主要方式。自然对流：流体的运动是由于流体密度差和温度梯度引起的。在自然对流传热中，上部较冷流体与底部较热流体间的密度差引起流体温升强迫对流：流体的运动是由外力（如风机、风扇或

8、泵）造成的。强迫对流热设计的有关概念压降：当流体流经固体物质或物体在导管内流动时，摩擦、流动面积的限制或方向的突变会阻止这种流动。结果产生压力损失或压力下降。需要用风机或泵来克服这种压降。流速越高，表面越不规则，则压降越大。在强迫对流系统中，冷却剂流动通路的几何