电子设备热设计基础课件.ppt
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1、2022-12-7电子设备热设计基础电子设备热设计基础电子设备热设计基础电子设备热设计基础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电子设备热设计基础u 热对系统可靠性的影响热对系统可靠性的影响u 热设计的目的热设计的目的u 热设计的有关概念热设计的有关概念u 热控制的基本形式热控制的基本形式热设计基本知识电子设备热设计基础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。性能改变甚至失效,从而引起整个电子设备的故障。电子设备热设计基础热对系统可靠性的影响元器件类
2、别元器件类别 基本失效率,基本失效率,bb(1010-6-6/h/h)温升温升T T()高温与室温高温与室温失效率之比失效率之比高高 温温室室 温温PNPPNP硅晶体管硅晶体管0.0630.063(在(在130130和和应力比应力比0.30.3)0.00960.0096(在(在2525和应力和应力比比0.30.3)1051057:17:1NPNNPN硅晶体管硅晶体管0.0330.033(在(在130130和和应力比应力比0.30.3)0.00640.0064(在(在2525和应力和应力比比0.30.3)1051055:15:1玻璃电容器玻璃电容器0.0470.047(在(在120120和和应力
3、比应力比0.50.5)0.0010.001(在(在2525和应力和应力比比0.50.5)959547:147:1变压器与线圈变压器与线圈0.02670.0267(在(在8585)0.00080.0008(在(在2525)606033:133:1碳膜合成电阻器碳膜合成电阻器0.00650.0065(在(在100100和和应力比应力比0.50.5)0.00030.0003(在(在2525和应力和应力比比0.50.5)757522:122:1不同工作温度部分元器件的基本失效率不同工作温度部分元器件的基本失效率(摘自摘自GJB/Z 299B)电子设备热设计基础热对系统可靠性的影响 平均故障间隔时间(平
4、均故障间隔时间(MTBFMTBF)是表征电子设备可靠性的一个主要)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布时,其平均故障间隔时间:参数,当电子设备寿命呈指数分布时,其平均故障间隔时间:该式中:该式中:以金属膜电阻器为例: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:金属膜电阻器的工作失效率计算公式如下:电子设备热设计基础热对系统可靠性的影响摘自摘自 美空军整体计划分析报告美空军整体计划分析报告电子设备热设计基础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电子设备经受的热应力来源于以下几个方面:(1 1)工作过程中,功率元件耗散的热量。)工作过程中,功率元
5、件耗散的热量。(2 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)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。传递给电子设备。(3 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。)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。电子设备热设计基础热设计的目的电子设备热设计基础热设计的有关概念(1 1)热设计)热设计 利用利用热传递特性热传递特性通过通过冷却装置冷却装置控制电子设备内部所有电子元器件的控制电子设备内部所有电子元器件的温度温度,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。使其在设备内所处的工
6、作环境条件下,不超过规定的最高允许温度的设计技术。(2 2)热评估)热评估:评估电子设备热设计是否合理的:评估电子设备热设计是否合理的方法和手段方法和手段。(3 3)热分析)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段获得温度分布的方法,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。
7、靠性提供有力保障。(4 4)热试验)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。:将电子设备置于模拟的热环境中,测量其温度或温度分布。电子设备热设计基础热设计的有关概念(5 5)热流密度热流密度 单位面积的热流量。单位面积的热流量。(6 6)体积功率密度体积功率密度 单位体积的热流量。单位体积的热流量。(7 7)热阻热阻 热量在热流路径上遇到的阻力(内热阻、外热阻、系统热量在热流路径上遇到的阻力(内热阻、外热阻、系统热阻)热阻)。温差越大,热流量就越大。温差越大,热流量就越大。T TRQ RQ 热阻的单位是热阻的单位是/W/W。电子设备热设计基础热设计的有关概念电子设备热设计基
8、础热设计的有关概念电子设备热设计基础(8 8)热阻网络热阻网络 热阻的串联、并联或混联形成的热流路径图。热阻的串联、并联或混联形成的热流路径图。(9 9)功耗)功耗 电子设备工作时需要电功率,因为元器件并非完电子设备工作时需要电功率,因为元器件并非完全有效,因而有不少功率转换成热。如果找不到一条全有效,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。通路来散热,温度就会升高。最重要的热流量是功耗。(1010)冷板冷板 利用单相流体强迫流动带走热量的一种换热器。利用单相流体强迫流动带走热量的一种换热器。(1111)热沉)热沉 是一个无限大的热容器,其温度不随
9、传递到它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。也称水或宇宙等。又称热地。也称“最终散热器最终散热器”。Heat Heat SinkSink热设计的有关概念电子设备热设计基础热设计的有关概念电子设备热设计基础热设计的有关概念电子设备热设计基础热设计的有关概念电子设备热设计基础热设计的有关概念电子设备热设计基础热路与电路 R=U/IR1R2R3UIRt1Rt2Rt3t/qThermal Sink(environment)Rt=t/Q电子设备热设计基础热阻与热流量和温度的关系电子设备热
10、设计基础 降低热耗降低热耗 器件的热耗一般受器件厂工艺水平的制约器件的热耗一般受器件厂工艺水平的制约 VLSI VLSI 的总热耗一般低于的总热耗一般低于 NPN NPN 器件的热耗,但从热流密度的角器件的热耗,但从热流密度的角度看,不可一概而论。度看,不可一概而论。控制周围环境向器件的热量传递。控制周围环境向器件的热量传递。从结构措施上减小动力增温(如从结构措施上减小动力增温(如 摩擦热的传输等)。摩擦热的传输等)。内热阻内热阻通常指芯片级的冷却技术,是今后通常指芯片级的冷却技术,是今后VLSIVLSI的发展方向。的发展方向。外热阻外热阻指传统的冷却技术,如风冷、液冷、相变冷却,热管传热等。
11、指传统的冷却技术,如风冷、液冷、相变冷却,热管传热等。Rt=t/Q热设计基本考虑电子设备热设计基础内热阻的控制 多芯片模块(多芯片模块(multichip-modulemultichip-module)微热管微热管(micro-heatpipe)(micro-heatpipe)传热传热 内热阻:内热阻:芯片的芯片的 PN PN 结结 封装壳体封装壳体 (导热、对流导热、对流)也称也称“芯片组导热模块芯片组导热模块”,通过导热、辐射将热量传至封装表面,再,通过导热、辐射将热量传至封装表面,再进行冷却。进行冷却。特点:特点:尺寸小、重量轻、信号处理速度快、延迟时间小。尺寸小、重量轻、信号处理速度快
12、、延迟时间小。微通道散热器(微通道散热器(级通道,冷却剂可直接通过级通道,冷却剂可直接通过)电子设备热设计基础外热阻的控制(1 1)散热技术)散热技术 肋片式散热器肋片式散热器,强迫空气冷却强迫空气冷却,液体冷却液体冷却 ,相变相变冷却冷却(沸腾、蒸发、升华沸腾、蒸发、升华)(2 2)制冷技术)制冷技术 温差电制冷温差电制冷 ,液氮制冷液氮制冷 ,压缩制冷压缩制冷 ,相变制冷,相变制冷(3 3)恒温技术)恒温技术 隔热材料保温隔热材料保温,可控式恒温可控式恒温 ,关键技术是温度的,关键技术是温度的控制控制(4 4)热管传热)热管传热 电子设备热设计基础热设计理论基础传热学 传热的基本方式有三种
13、:传导、对流和辐射、一般来传热的基本方式有三种:传导、对流和辐射、一般来说,这三种形式在电子系统的热传输中分别占说,这三种形式在电子系统的热传输中分别占60%,20%和和20%。电子设备热设计基础导 热 因物质的原子和分子之间的随机运动而导致的从高能因物质的原子和分子之间的随机运动而导致的从高能级级低能级的一种能量传输过程。简单地说:导热的产生低能级的一种能量传输过程。简单地说:导热的产生必需具备二个条件:必需具备二个条件:和相互接触。和相互接触。=k A t/n (w)q=k t/n (w/m2)导热的基本定律:导热的基本定律:Fourier Fourier 定律定律K K材料的导热系数材料
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