印制电路板(PCB)热设计
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1.3 热设计的基本要求与原则

1.3.1 热设计的基本要求

解决电子设备过热问题,提高产品使用可靠性的技术称为电子设备热技术,包括热分析、热设计及热测试[9]

美国在20世纪70年代就发布了《可靠性热设计手册》,要求在整个设计过程中,电子设备设计工程师、热设计工程师和可靠性工程师要密切合作,将热管理贯穿电子系统和设备设计生产的全过程[10]。电子设备的热技术已经成为电子元器件、设备和系统可靠性研究的一项主要内容。大规模研究电子产品的热问题开始于20世纪80年代中期。国家军用标准GJBZ 27—1992《电子设备可靠性热设计手册》为军用电子设备热设计提供了基本理论和方法。国家军用标准GJBZ 35—1993《元器件降额准则》规定了元器件在不同应用情况下应降额的参数和量值。同时为电子产品的热设计和降额设计提供了若干应用指南。

热设计主要作用是用来保证设备的功能、性能、寿命和安全性。热设计主要包括两个方面:一是如何控制热源的发热量;二是如何将热源产生的热量散出去。电子设备的热设计可以分为系统级(Systems)、封装级(Packages)和元器件级(Components)等多个层次。系统级热设计主要包括电子设备机箱、框架等热设计。封装级热设计主要包括电子模块、PCB、散热器等热设计[6]。元器件级热设计主要包括内部结构、封装形式等热设计。

在国标GB/T 31845——2015《电工电子设备机械结构热设计规范》中要求:

① 在最高极限环境温度下工作时,设备内部的局部环境温度不宜超过70℃。

② 对于出风口温度高于70℃的设备,需要增加高温警示标识。

③ 对户内直通风道设备,设备温升范围一般为8~15℃,其他独立风道的设备,设备温升范围一般为5~10℃。当设备内部热耗分布均匀时,设备温升取上限值;当设备热耗分布不均匀时,设备温升取下限值,以保证局部环境温度满足使用要求。

④ 对户外设备,如果具备对太阳直射和其他热源辐射等的防护措施,设备温升范围一般为15~20℃;如果无相应的防护措施,其外表面温度将会相对较高,设备温升范围一般为5~10℃。

⑤ 设备内部元器件的工作温度满足其耐温规格是热设计的基本要求。在通常情况下,元器件的耐温规格由设备可靠性预计所分解给元器件的失效率确定。在设备开发过程中,为降低元器件的失效率、提高设备可靠性,在元器件选择时应采取一定的降额措施。具体的降额要求参见GJBZ 27—1992《电子设备可靠性热设计手册》。

电子设备在工作期间所消耗的电能,除了有用功外,大部分转化成热量散发。电子设备产生的热量,使内部温度迅速上升。一般而言,温度升高会使电阻阻值降低,使电容器的使用寿命降低,使变压器、扼流圈的绝缘材料的性能下降。温度过高还会造成焊点变脆、焊点脱落,焊点机械强度降低;结温升高会使晶体管的电流放大倍数迅速增大,导致集电极电流增大,最终导致元器件失效。如果不及时将该热量散发,设备会继续升温,元器件就会因过热失效,电子设备的可靠性将下降。

造成电子设备故障的原因虽然很多,但高温是其中最重要的因素,其他因素的重要性排序依次是振动(Vibration)、潮湿(Humidity)、灰尘(Dust)。例如,温度对电子设备的影响高达60%。

温度和故障率的关系是成正比的,可以用下式来表示:

式中,F为故障率;AC为常数;E为功率;K为玻耳兹曼常数;T为结点温度。

有统计资料表明,电子元器件温度每升高2℃,可靠性下降10%,温升50℃时的寿命只有温升为25℃时的1/6。有数据显示表明,45%的电子产品损坏是由于温度过高引起的,由此可见热设计的重要性。

完整的热设计应保证电子设备在规定的环境条件下长期正常运行,辅助散热所需能耗力求最低,并在短期严酷的环境条件下具有必要的安全冗余。其目的是采用适当、可靠的方法控制设备内部所有电子元器件的温度,使其在所处的工作环境条件下不超过稳定运行要求的最高温度,能够在设备设定的热环境中长期正常工作,以保证设备正常运行的安全性和可靠性。