1.3　熱設計的基本要求與原則

1.3.1　熱設計的基本要求

解決電子設備過熱問題，提高產品使用可靠性的技術稱為電子設備熱技術，包括熱分析、熱設計及熱測試[9]。

美國在20世紀70年代就發布了《可靠性熱設計手冊》，要求在整個設計過程中，電子設備設計工程師、熱設計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和設備設計生產的全過程[10]。電子設備的熱技術已經成為電子元器件、設備和系統可靠性研究的一項主要內容。大規模研究電子產品的熱問題開始于20世紀80年代中期。國家軍用標準GJBZ 27—1992《電子設備可靠性熱設計手冊》為軍用電子設備熱設計提供了基本理論和方法。國家軍用標準GJBZ 35—1993《元器件降額準則》規定了元器件在不同應用情況下應降額的參數和量值。同時為電子產品的熱設計和降額設計提供了若干應用指南。

熱設計主要作用是用來保證設備的功能、性能、壽命和安全性。熱設計主要包括兩個方面：一是如何控制熱源的發熱量；二是如何將熱源產生的熱量散出去。電子設備的熱設計可以分為系統級（Systems）、封裝級（Packages）和元器件級（Components）等多個層次。系統級熱設計主要包括電子設備機箱、框架等熱設計。封裝級熱設計主要包括電子模塊、PCB、散熱器等熱設計[6]。元器件級熱設計主要包括內部結構、封裝形式等熱設計。

在國標GB/T 31845——2015《電工電子設備機械結構熱設計規范》中要求：

① 在最高極限環境溫度下工作時，設備內部的局部環境溫度不宜超過70℃。

② 對于出風口溫度高于70℃的設備，需要增加高溫警示標識。

③ 對戶內直通風道設備，設備溫升范圍一般為8～15℃，其他獨立風道的設備，設備溫升范圍一般為5～10℃。當設備內部熱耗分布均勻時，設備溫升取上限值；當設備熱耗分布不均勻時，設備溫升取下限值，以保證局部環境溫度滿足使用要求。

④ 對戶外設備，如果具備對太陽直射和其他熱源輻射等的防護措施，設備溫升范圍一般為15～20℃；如果無相應的防護措施，其外表面溫度將會相對較高，設備溫升范圍一般為5～10℃。

⑤ 設備內部元器件的工作溫度滿足其耐溫規格是熱設計的基本要求。在通常情況下，元器件的耐溫規格由設備可靠性預計所分解給元器件的失效率確定。在設備開發過程中，為降低元器件的失效率、提高設備可靠性，在元器件選擇時應采取一定的降額措施。具體的降額要求參見GJBZ 27—1992《電子設備可靠性熱設計手冊》。

電子設備在工作期間所消耗的電能，除了有用功外，大部分轉化成熱量散發。電子設備產生的熱量，使內部溫度迅速上升。一般而言，溫度升高會使電阻阻值降低，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。溫度過高還會造成焊點變脆、焊點脫落，焊點機械強度降低；結溫升高會使晶體管的電流放大倍數迅速增大，導致集電極電流增大，最終導致元器件失效。如果不及時將該熱量散發，設備會繼續升溫，元器件就會因過熱失效，電子設備的可靠性將下降。

造成電子設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（Vibration）、潮濕（Humidity）、灰塵（Dust）。例如，溫度對電子設備的影響高達60%。

溫度和故障率的關系是成正比的，可以用下式來表示：

式中，F為故障率；AC為常數；E為功率；K為玻耳茲曼常數；T為結點溫度。

有統計資料表明，電子元器件溫度每升高2℃，可靠性下降10%，溫升50℃時的壽命只有溫升為25℃時的1/6。有數據顯示表明，45%的電子產品損壞是由于溫度過高引起的，由此可見熱設計的重要性。

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