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n热环境是影响电子产品的性能和可靠性重要因素。n温度对大多数失效机理有加速作用。n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，8.6210-5eV/K，T1和T2是开氏温度。n电子设备的故障率随温度的增加呈指数规律上升。)()(12TMLTML=exp1211TTkEa 寿命与温度、激活能关系（寿命与温度、激活能关系（300K）项目序号 T1 T2 Ea ML1/ML2 1 300 302 0.35 1.05 2 300 305 0.35 1.2
2、5 3 300 310 0.35 1.55 4 300 320 0.35 2.33 5 300 302 0.5 1.07 6 300 305 0.5 1.37 7 300 310 0.5 1.87 8 300 320 0.5 3.35 9 300 302 0.7 1.20 10 300 305 0.7 1.56 11 300 310 0.7 2.39 12 300 320 0.7 5.43 13 300 302 1 1.29 14 300 305 1 1.89 15 300 310 1 3.48 16 300 320 1 11.21 失效模式 失效机理 激活能量 V漂移 离子性（SiO2）1.
3、01.4 V漂移 离子性（Si-SiO2）界面的低阻挡层 1.0 漏电流增加 形成反型层（MOS）0.81.4 漏电流增加 隧道效应（DIODE）0.5 hFE下降 因水分加速离子称动 0.8 开路 Al的腐蚀 0.60.9 开路 Al的电迁移 0.6 短路 氧化膜击穿 0.3 失效模式、失效机理要与激活能失效模式、失效机理要与激活能寿命与温度、激活能关系（寿命与温度、激活能关系（400K）项目序号 T1 T2 Ea ML1/ML2 17 400 405 0.35 1.13 18 400 410 0.35 1.28 19 400 420 0.35 1.62 20 400 405 0.5 1.2
4、0 21 400 410 0.5 1.42 22 400 420 0.5 1.99 23 400 405 0.7 1.28 24 400 410 0.7 1.64 25 400 420 0.7 2.63 26 400 405 1 1.43 27 400 410 1 2.03 28 400 420 1 3.98 n温度对半导体器件的影响最为敏感。半导体器件故障率随温度的增加呈指数规律上升。n温度对电阻器和电容器的影响也很大。n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-0.125
5、W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%。n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 概述概述n1.1电转换成热n1.2空气动力的加热n1.3机械摩擦转换成热量n1.4来自电子设备所处的环境热量1.1 电转换成热电转换成热n当电流通过导体、气体、真空时将有能量损失；n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；n处于交变电场中的绝缘材料有介质损失。n这些损失所产生的热能是由电能转换而来的。1.2 1.2 空气动力的加热空气
6、动力的加热n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 1.3 机械摩擦转换成热量机械摩擦转换成热量 n为了克服机械运动过程中的摩擦力将损失部分能量，这又是一种热能的转换形式。1.4 1.4 来自设备所处的环境的热量来自设备所处的环境的热量 n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。n月球表面在太阳辐射下温度可达274。n石油测井仪在进入地下300米可达300。n在太阳直接辐射的地面，温度可达60 以上 n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；n减少
7、热阻，是电子设备结构设计的目的之一；n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；n改善电子设备的可靠性；n廷长使用寿命。热设计的对策和目的热设计的对策和目的冷却方法冷却方法 电子设备的冷却方法有多种，可以单独或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。本章小结本章小结n温度与可靠性关系Arrhenius方程 n热量来源能量转换n热设计的目的热量、热阻、电性能稳定性、可靠性、寿命等2 2 热设计要求热设
8、计要求 n2.1热设计基本要求 n2.2热设计应考虑的问题 n2.3电子设备热设计基本程序 n2.4热设计常用的技术措施2.1 2.1 热设计基本要求热设计基本要求n热设计应满足设备可靠性的要求。n热设计应满足设备预期工作的热环境的要求。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）。n热设计应满足对冷却系统的限制要求。n热设计应符合与其有关的标准、规范规定的要求。2.2 2.2 热设计应考虑的问题热设
9、计应考虑的问题 n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。n热设计必须与维修性设计相结合，提高设备的维修性。n对于强迫空气冷却，冷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。n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。n使元器件的温度波动减少到最低程度。2.3 2.3 电子设备热设计基本程序电子设备热设计基本程序n根据电子设备的寿命剖面和任务剖面，确定设备的热环境。n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。n热分析，确定各个传热环节
10、的热阻。n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n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。n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、整机系统的热性能参数进行测量
11、，为热设计或改进设计提供技术数据。2.4 2.4 热设计常用的技术措施热设计常用的技术措施n应最大限度地利用传导、自然对流和辐射等简单、可靠的冷却技术。n应尽可能缩短传热路径，增大换热（或导热）面积；n加大热传导面积和传热零件之间的接触压力，提高接触表面的加工精度或在接角面间加导热脂，以减少热阻。n在热流通道口应减少各种阻力，零件和元器件的排列的方向和安装方式应保证最大的热对流。n元器件安装时，要充分考虑周围元器件辐射换热的影响。n增加表面黑度，提高辐射换热能力。n对太阳辐射应有相应的防护措施。n对嵌埋状态的热源，须用金属传热器通至冷却装置。n如果环氧玻璃树脂印制线路板不足散发所产生的热量，应
12、考虑加设散热网络和金属条散热。n印制板组装件应有适当的导热措施、如采用导热印制板（如导热条、导热板、金属夹芯或热管管等）印制板导轨应采用热阻小的导轨。n采用强制风冷系统时应保证在箱内有足够的正压强。n进气口和排气口之间应有足够距离，要避免热风回流。n进入的空气与排出的空气之间的温差应小于14。n在冷却风道上要先冷却热敏元件低温元件，再冷却高温元件，并使每个元器件，零部件的配置和安装合理。n应注意强迫通风与自然通风的方向尽量一致。n在冷却装置中，应具有防止诸如燃料油微粒，灰尘，纤维微粒等沉积物和其他老化措施，以免增大热阻降低冷却效果。同时还应防止由于工作周期、功率、热环境以及冷却剂温度等变化引起
13、的热瞬变，使元器件的温度波动减少到最低程度。n使用通风机进行风冷时，进出风口应符合电磁干扰和安全性要求，必要时还应考虑防淋雨要求。本章小结n热设计的工程步骤确定热环境热阻分析热设计与电路和结构设计同步热设计评审热测试n常用技术措施最大限度利用简单技术尽量减小热阻（风阻）辐射考虑（主动、被动）温差小于14原则3 3 热设计方法热设计方法n3.1 热设计的基本问题n3.2 传热基本原则n3.3 换热计算 n3.4 热电模拟n3.5 热设计步骤n3.6 规定电子元器件和设备热特性的额定值n3.7 计算机辅助热分析F 电子设备的有效输出功率比所需的输入功率小得多，而这部分多余的功率则转化为热而耗散掉。
14、随着电子技术的发展，电子元器件和设备日趋小型化，使得设备的体积功率密度大大增加。因此，对电子设备必须配置冷却系统（包括自然冷却），在热源至热沉（外部环境）之间提供一条低热阻通路，保证热量顺利传递出去。3.1 热设计的基本问题 n耗散的热量决定了温升，因此也决定了任一给定结构的工作温度。n热流量是以导热、对流和辐射传递出去的，每种传热形式所传递热量与其热阻成反比。n在稳态条件下，存在着热平衡。符合能量守恒定律。n热流量、热阻和温度是热设计中的重要参数。n温度是衡量热设计有效性的重要参数。n所采用的冷却系统应该是最简单又最经济的，并适用于特定的电气和机械设备、环境条件，同时满足可靠性要求。n热设计
15、应与其它设计（电气设计、结构设计、可靠性设计等）同时进行，当出现矛盾时，应进行权衡分析，折衷解决。但不得损害电气性能，并符合可靠性要求，使设备的寿命周期费用降至最低。n热设计中允许有较大的误差。n在设计过程的早期阶段应对冷却系统进行数值分析和计算。3.2 传热基本原则n凡有温差的地方就有热量的传递。热量传递的两个基本规律是：热量从高温区流向低温区；高温区发出的热量必定等于低温区吸收的热量。n热量的传递过程可区分为稳定过程和不稳定过程两大类：凡是物体中各点温度不随时间而变化的热传递过程称为稳定热传递过程；反之则称为不稳定过程。传热的基本计算公式 =KAt (3-1)式中:热流量，W；K总传热系数
16、，W/(m2)；A传热面积，m2；t热流体与冷流体之间的温差，。热量的传递有三种基本方式：导热、对流和辐射。它们可以单独出现，也可能两种或三种形式同时出现。导热 n气体导热是由气体分子不规则运动时相互碰撞的结果。金属导体中的导热主要靠自由电子的运动来完成。非导电固体中的导势烛通过晶格结构的振动实现的。液体中的导热机理主要靠弹性波的作用。n导热基本定律是傅里叶定律：在纯导热中，单位时间内通过给定面积的热流量，正比于该地垂直于导热方向的截面面积及其温度变化率。导热的计算公式 xtA 式中：热流量，W；导热系数，W/(m)；A导热方向上的截面面积，m2；X方向的温度变化率，/m；负号表示热量传递的方
17、向与温度梯度的方向相反。xt(3-2)对流 n 对流是指流体各部分之间发生相对位移时所引起的热量传递过程。对流仅发生在流体中，且必然伴随着有导热现象。流体流过某物体表面时所发生的热交换过程，称为对流换热。由流体冷热各部分的密度不同所引起的对流称自然对流。若流体的运动由外力（泵、风机等）引起的，则称为强迫对流。对流换热可用牛顿冷却公式计算：对流换热的计算公式)(ttAhwc 式中：hc对流换热系数，W/(m2)；A 对流换热面积，m2；tw热表面温度，；冷却流体温度，。t(3-3)辐射换热的计算公式n 物体以电磁波方式传递能量的过和程称为热辐射。辐射能在真空中传递能量，且有能量方式的转换，即热能
18、转换为辐射能及从辐射能转换成热能。任意物体的热辐射能力表示为：40TA 式中:物体的黑度；斯蒂芬-玻尔兹曼常数 （5.6710-8/m2K4）；A辐射表面积，m2；T物体表面的热力学温度，K。0(3-4)3.3 换热计算 n自然对流换热的准则方程式为：n强迫对流换热的准则方程式（表32，略）nuCRaN(3-5)3.4 热电模拟 n 热电模拟方法 将热流量模拟为电流，温差模拟为电压，热阻模拟为电阻，热导模拟为电导，热容模拟为电容（瞬态分析）。有助于用电路网络的方法处理问题。n 热电模拟网络 利用热电模拟的概念，可以解决稳态和瞬态的传热计算。n 传热路径 中间散热器如底座、外壳、机柜、冷板、肋片
19、式散热器，或设备中的空气或液体等冷却剂，都可以是传热路径。热流量经传热路径至最终的部位，通称为热沉。它的温度不随传递到它的热量大小而改变，相当于一个无限大的容器，可能是大气、大地、大体积的水。3.4 热电模拟 热阻的确定 确定热阻的步骤 根据对每个元器件可靠性的要求，确定元器件的最高允许温度；确定设备或冷却剂的最高环境温度；根据上述两条规定，确定每个元器件的允许温升；确定每个元器件冷却时所需之热阻。热阻的计算 热阻是热量传递路径上的阻力。式(3-1)可以改写成：（3-16）式中：Rt整个传热面积上的热阻（R=1/KA），/W。式（3-16）与电学中的欧姆定律I=U/R相似，热流量 对应于电流I
20、，传热温度差对应于电压U，热阻Rt对应于电阻R。tRt3.5 热设计步骤n掌握与热设计有关的标准，确定元器件的散热面积，散热器或冷却剂的最高和最低环境温度范围。n确定可以利用的冷却技术和限制条件,温度、压力、流量。n元器件应力分析，根据分配给每个元器件的失效率，确定每个元器件的最高允许温度。确定每个发热元件的功耗。n画出热电模拟回路图，确定散热器的最高环境温度。n计算元件的热流密度。n根据热流密度初步分配热阻。对分配的合理性予以评估。n选择适用于每种热阻的冷却技术或传热方法。n对每个元器件具体冷却途径的各热阻进行设计计算。n估算各冷却方案的成本，选取最佳方案。n考虑可靠性、安全性、维修性及电磁
21、兼容性设计。3.6 规定元器件和设备热特性的额定值n元器件是根据某确定的表面温度（如壳温）规定额定值的。并给出表面到器件内部最敏感位置的热阻。n元器件的环境温度指工作时周围介质的温度。元器件安装密度高时，只考虑对流换热，不考虑辐射和导热。n电子设备是根据环境温度规定额定值的，它只适用于对流换热的设备。这种额定值包括对流、辐射和导热的换热量。热环境按下列条件规定：冷却剂的种类、温度、压力和速度；设备的表面温度、形状和黑度；元器件或设备周围的传热路径。3.7 计算机辅助热分析 对电子设备进行计算机辅助热分析的基础是计算传热学。其数值计算方式主要有有限差分法和有限元素法等。本章小结n传导、对流和辐射
22、三种传热方式。n热流量、热阻和温度是热设计的重要参数。n热设计与其他设计同步进行。n传热的基本计算公式。n热阻的确定。n热电模拟。n计算机辅助热分析4 4 电子设备的热性能评价电子设备的热性能评价 n4.14.1热性能评价的目的与内容热性能评价的目的与内容 n4.24.2热性能草测热性能草测 n4.34.3热设计检查项目热设计检查项目n4.44.4热性能测量热性能测量 4.1 4.1 热性能评价的目的与内容热性能评价的目的与内容n目的：确定热设计与冷却系统的合理性与有效性。n内容与方法：草测或检查设备中的各种元器件，尤其是关键元器件的表面温度或温度分布。分析热设计所采用的冷却方式是否为优选的方
23、案。应采取定性分析与定量分析的方法，评价电子设备的热性能。开展热性能的评价试验。这种试验一般在实验室或试验工厂内进行。4.2 4.2 热性能草测热性能草测n对电子设备的热性能进行“快速而不精确”的测量，称为草测。n草测的步骤：仔细检查设备中是否有过热的迹象。如元器件变色、变黑、起泡、变形、漆起皱或变脏等。根据可靠性要求，确定关键元器件及其耗热量。具有最高热应力的元器件表面温度，或最易受温度影响的元器件表面温度，可作为设备的一个热性能指标。在额定环境条件和设备处于最大功耗的工况下，测量设备中关键元器件的表面温度。4.3 4.3 热设计检查项目热设计检查项目n冷却系统的检查项目自然冷却强迫空气冷却
24、n电子元器件检查项目 自然冷却n是否使用最短的热流通路？n对于密闭式热源，是否提供良好的导热通路？n是否利用金属作为导热通路？n电子元器件是否采用垂直安装和交错排列？n对热敏感的元器件是否与热源隔离，当二者距离小于50mm时，是否采用热屏蔽罩？n对于发热功率大于0.5W的元器件，是否装在金属底座上或与散热器之间设置良好的导热通路？n热源表面的黑度是否足够大？n是否有供通风的百叶窗口？强迫空气冷却n流向发热元器件的空气是否经过冷却过滤？n是否利用顺流气流来对发热元器件的进行冷却？n气流通道大小是否适当？是否畅通无阻？n风机的容量是否适当？抽风或鼓风是否选择恰当？n风机的电动机是否得到冷却？对风机
25、的故障，是否采用防护措施？n空气过滤器是否适当？是否易于清洗和更换？强迫空气冷却n是否已对设备或系统中的气流分布进行过测量？n关键的功率器件是否有适当的气流流过？n是否测量过功率器件的临界温度？n是否测量过风机的噪声？n易损坏的散热片是否有保护措施？n在机载电子设备中，是否具有防水措施？电子元器件检查项目F 电子元器件的电应力水平是否与设备可靠性要求相一致？是否进行了降额设计？n半导体器件 对热敏感的器件是否与高温度热源隔离？功率器件是否安装有散热器？安装方式是否合理？表面是否经过涂覆处理？器件与散热器的接触面之间，是否采取了减小接触热阻的措施？电子元器件检查项目n电容器与热源是否采取隔离或绝
26、热措施？n电阻器 功耗大的电阻器是否采取了冷却措施？对功耗大的电阻器是否采用机械夹紧或封装材料来提高它的散热能力？对电阻器的安装，是否采取了减小热阻的措施（如短引线、与底座接触良好等）？电子元器件检查项目n变压器和电感器是否为变压器或电感器提供了良好的导热通路？是否将变压器或电感器置于对流冷却良好的位置？对功耗较大的变压器或电感器是否采取了专门的散热措施？n印制电路板 是否将发热元器件与对热敏的元器件进行热隔离？是否在必要的通路上采用较粗的导线？4.4 热性能测量n热测量的参数包括：电子设备中的关键元器件、散热器及其它冷却装置的表面温度；电子设备机柜、系统内的温度分布；电子设备机柜内或风道处的
27、空气流量和和压力损失；热测量技术 n热电偶传感温度显示仪n红外测温仪和热像仪 n压力测量常用倾斜或微压计 n流速或流量测量红外热像仪红外探头：10120InSb频谱响应：1.55.5m测温范围：25550温度灵敏度：0.1温度测量重复性：0.1最大贞频：50Hz主要作用：模块、元器件热分布热结构分析热设计验证本章小结n热性能评价的目的合理与有效。n关键元器件的表面温度热指标之一。n热设计检查项目冷却系统和元器件。n热性能测量关键元器件、温度分布、流量和压力损失。n热测量技术5 现有电子设备的热性能的改进n5.1确定热设计缺陷 n5.2热性能改进的制约条件 n5.3改进费用与寿命周期费用的权衡
28、F 当现有电子设备的热性能存在某些缺陷，或设备需在比原设计更严酷的环境条件下工作时，则应对其热设计进行改进。n进行热性能改进应考虑的因素：现有设备热设计的合理性；热性能改进的可能性；热性能改进方案的论证（包括技术和经济两个方面）。5.1 确定热设计缺陷n对热性能有缺陷的设备进行草测或较详细的热测量。通过测量来确定元器件的温度、热流通路的热阻和系统的热平衡情况，为热性能的改进提供数据。n应确定元器件的电功率耗损、额定功率和应力等级。可从设备生产厂家得到这些数据。5.2 热性能改进的制约条件 n缺乏容纳大风量风机、换热器或管道的空间；n设备尺寸、重量和体积的限制；n不适合采用液体冷却。冷却剂的流量
29、不能增加；n风机的噪声指标或不允许使用风机的限制；n电路性能指标与所采用的冷却方式产生矛盾；n经济（改进费用）限制。F 由于上述限制的存在，应对热性能的改进方案进行仔细分析和权衡。5.3 改进费用与寿命周期费用的权衡n热性能改进的依据：基于任务的需要，必须对设备的热设计改进，以提高其可靠性；改进设备的热性能，可以减少维修、后勤保障以及元器件的费用，提高设备的可用度，降低设备的全寿命周期费用。n进行权衡研究必备的资料：设备预计继续使用的年限；设备现行的维修费用，包括劳务、后勤、元器件及补给费用等；预计改进后的可靠性和维修性；设备改进热性能需用的总费用，包括研究与开发、测试、安装、采购器材及人员培
30、训等；每年节约的费用及回收投资所需的时间等。案例1 风道的改进设计F 某机载雷达设备采用强迫对流冷却。原方案为气流经90弯角进入风道（如图5-1所示），然后再分配至各个单元模块进行冷却。由于气流的突然转折使流道内的压力分布不均匀，影响冷却流量的均匀分配，造成部分零件过热。为此对风道进行改进，经测定表明空气出口温度降低，热性能得到了改善。表5-1为空气出口温度在改进前后的变化情况。风道的改进设计 表5-1改进设计对空气出口温度的影响 模块最大冷却气流条件下空气出口的温度（）改进前 改进后 改善程度 1 23 68 52 52 53 41 52 15 11 0 图5-1风道的改进设计示意图案例2
31、行波管阴极热丝短、断路失效机理热丝悬空热丝悬空辐射加热辐射加热 加热加热效率低效率低热丝温热丝温度过高度过高涂层蒸涂层蒸发脱落发脱落裸丝裸丝热丝热丝短路短路热丝热丝开路开路热丝绕制半径小热丝绕制半径小0.5mm热丝（钨）损伤热丝（钨）损伤局部过温局部过温熔断熔断 振动热丝阴极热丝阴极过热Al2O3行波管阴极热丝短、断路改进措施及效果改进措施改进措施 改进效果改进效果 改进前改进前 改进后改进后 改进前改进前 改进后改进后 套筒长度套筒长度 10.2mm 6.0mm 加热功率加热功率 21W 11.5W 绕组方式绕组方式 双螺旋双螺旋 单螺旋单螺旋 电流冲击电流冲击 6.3V 2.05A 150
32、0 次次 3000 次次 绕制半径绕制半径 0.25mm 2.2mm 安装方式安装方式 悬空悬空 Al2O3 填充填充 热屏蔽热屏蔽 无底座无底座 屏蔽屏蔽 有底座有底座 屏蔽屏蔽 原设计电路中，右上角一片式电容器的表面温度已高达159，大大超出了该电容器125的温度上限。设计改进后，电容器的表面温度下降到115，降低了44，产品一次通过了高温负荷寿命试验。案例3 DC/DC热设计改进芯片熔融芯片熔融案例4 IRF3710过功率失效 DCDC（54V5V）电源转换模块输入电源开关调试时大功率VDMOS场效应晶体管频繁烧毁，表现为DS短路。应用电路存在问题应用电路图开启和关断时间过长，器件在线性区过功率工作，器件过热。VDMOS场效应管并联工作不能（或难以）均分每个管子的电流。存在问题谢谢！
