1.3　熱設(shè)計(jì)的基本要求與原則

1.3.1　熱設(shè)計(jì)的基本要求

解決電子設(shè)備過熱問題，提高產(chǎn)品使用可靠性的技術(shù)稱為電子設(shè)備熱技術(shù)，包括熱分析、熱設(shè)計(jì)及熱測試[9]。

美國在20世紀(jì)70年代就發(fā)布了《可靠性熱設(shè)計(jì)手冊(cè)》，要求在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中，電子設(shè)備設(shè)計(jì)工程師、熱設(shè)計(jì)工程師和可靠性工程師要密切合作，將熱管理貫穿電子系統(tǒng)和設(shè)備設(shè)計(jì)生產(chǎn)的全過程[10]。電子設(shè)備的熱技術(shù)已經(jīng)成為電子元器件、設(shè)備和系統(tǒng)可靠性研究的一項(xiàng)主要內(nèi)容。大規(guī)模研究電子產(chǎn)品的熱問題開始于20世紀(jì)80年代中期。國家軍用標(biāo)準(zhǔn)GJBZ 27—1992《電子設(shè)備可靠性熱設(shè)計(jì)手冊(cè)》為軍用電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)提供了基本理論和方法。國家軍用標(biāo)準(zhǔn)GJBZ 35—1993《元器件降額準(zhǔn)則》規(guī)定了元器件在不同應(yīng)用情況下應(yīng)降額的參數(shù)和量值。同時(shí)為電子產(chǎn)品的熱設(shè)計(jì)和降額設(shè)計(jì)提供了若干應(yīng)用指南。

熱設(shè)計(jì)主要作用是用來保證設(shè)備的功能、性能、壽命和安全性。熱設(shè)計(jì)主要包括兩個(gè)方面：一是如何控制熱源的發(fā)熱量；二是如何將熱源產(chǎn)生的熱量散出去。電子設(shè)備的熱設(shè)計(jì)可以分為系統(tǒng)級(jí)（Systems）、封裝級(jí)（Packages）和元器件級(jí)（Components）等多個(gè)層次。系統(tǒng)級(jí)熱設(shè)計(jì)主要包括電子設(shè)備機(jī)箱、框架等熱設(shè)計(jì)。封裝級(jí)熱設(shè)計(jì)主要包括電子模塊、PCB、散熱器等熱設(shè)計(jì)[6]。元器件級(jí)熱設(shè)計(jì)主要包括內(nèi)部結(jié)構(gòu)、封裝形式等熱設(shè)計(jì)。

在國標(biāo)GB/T 31845——2015《電工電子設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)熱設(shè)計(jì)規(guī)范》中要求：

① 在最高極限環(huán)境溫度下工作時(shí)，設(shè)備內(nèi)部的局部環(huán)境溫度不宜超過70℃。

② 對(duì)于出風(fēng)口溫度高于70℃的設(shè)備，需要增加高溫警示標(biāo)識(shí)。

③ 對(duì)戶內(nèi)直通風(fēng)道設(shè)備，設(shè)備溫升范圍一般為8～15℃，其他獨(dú)立風(fēng)道的設(shè)備，設(shè)備溫升范圍一般為5～10℃。當(dāng)設(shè)備內(nèi)部熱耗分布均勻時(shí)，設(shè)備溫升取上限值；當(dāng)設(shè)備熱耗分布不均勻時(shí)，設(shè)備溫升取下限值，以保證局部環(huán)境溫度滿足使用要求。

④ 對(duì)戶外設(shè)備，如果具備對(duì)太陽直射和其他熱源輻射等的防護(hù)措施，設(shè)備溫升范圍一般為15～20℃；如果無相應(yīng)的防護(hù)措施，其外表面溫度將會(huì)相對(duì)較高，設(shè)備溫升范圍一般為5～10℃。

⑤ 設(shè)備內(nèi)部元器件的工作溫度滿足其耐溫規(guī)格是熱設(shè)計(jì)的基本要求。在通常情況下，元器件的耐溫規(guī)格由設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)所分解給元器件的失效率確定。在設(shè)備開發(fā)過程中，為降低元器件的失效率、提高設(shè)備可靠性，在元器件選擇時(shí)應(yīng)采取一定的降額措施。具體的降額要求參見GJBZ 27—1992《電子設(shè)備可靠性熱設(shè)計(jì)手冊(cè)》。

電子設(shè)備在工作期間所消耗的電能，除了有用功外，大部分轉(zhuǎn)化成熱量散發(fā)。電子設(shè)備產(chǎn)生的熱量，使內(nèi)部溫度迅速上升。一般而言，溫度升高會(huì)使電阻阻值降低，使電容器的使用壽命降低，使變壓器、扼流圈的絕緣材料的性能下降。溫度過高還會(huì)造成焊點(diǎn)變脆、焊點(diǎn)脫落，焊點(diǎn)機(jī)械強(qiáng)度降低；結(jié)溫升高會(huì)使晶體管的電流放大倍數(shù)迅速增大，導(dǎo)致集電極電流增大，最終導(dǎo)致元器件失效。如果不及時(shí)將該熱量散發(fā)，設(shè)備會(huì)繼續(xù)升溫，元器件就會(huì)因過熱失效，電子設(shè)備的可靠性將下降。

造成電子設(shè)備故障的原因雖然很多，但高溫是其中最重要的因素，其他因素的重要性排序依次是振動(dòng)（Vibration）、潮濕（Humidity）、灰塵（Dust）。例如，溫度對(duì)電子設(shè)備的影響高達(dá)60%。

溫度和故障率的關(guān)系是成正比的，可以用下式來表示：

式中，F為故障率；AC為常數(shù)；E為功率；K為玻耳茲曼常數(shù)；T為結(jié)點(diǎn)溫度。

有統(tǒng)計(jì)資料表明，電子元器件溫度每升高2℃，可靠性下降10%，溫升50℃時(shí)的壽命只有溫升為25℃時(shí)的1/6。有數(shù)據(jù)顯示表明，45%的電子產(chǎn)品損壞是由于溫度過高引起的，由此可見熱設(shè)計(jì)的重要性。

完整的熱設(shè)計(jì)應(yīng)保證電子設(shè)備在規(guī)定的環(huán)境條件下長期正常運(yùn)行，輔助散熱所需能耗力求最低，并在短期嚴(yán)酷的環(huán)境條件下具有必要的安全冗余。其目的是采用適當(dāng)、可靠的方法控制設(shè)備內(nèi)部所有電子元器件的溫度，使其在所處的工作環(huán)境條件下不超過穩(wěn)定運(yùn)行要求的最高溫度，能夠在設(shè)備設(shè)定的熱環(huán)境中長期正常工作，以保證設(shè)備正常運(yùn)行的安全性和可靠性。