电子产品组件可靠性.doc

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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流电子产品组件可靠性.精品文档.Q / ZX深圳市中兴通讯股份有限公司企业标准(可靠性技术标准) Q/ZX 23.010 - 1999电子产品组件可靠性热设计指南1999-06-30 发布 1999-07-12 实施深圳市中兴通讯股份有限公司 发 布前 言为指导电子产品组件可靠性热设计，特编写本标准。本标准由深圳市中兴通讯股份有限公司质量企划中心可靠性部提出，技术中心技术管理部归口。本标准起草部门：质量企划中心可靠性部。本标准起草人：赵黎。 本标准于1999年6月首次发布。 Q/ZX 23.010 - 1999 深圳市中兴通讯股份有限公司企业标

2、准 （可靠性技术标准）Q / ZX 23.010 -1999 电子产品组件可靠性 热设计指南1 范围本标准规定了深圳市中兴通讯股份有限公司热设计通用要求、元器件应用的热设计、电子组件电子模块的热设计、热性能评价等。本标准适用于电子产品组件的可靠性热设计、电子产品热特性的测试和进行热可靠性分析。本标准提供的热设计方法，也可以指导技术人员进行功率电子元器件及热敏元器件的热设计和热分析。本标准不包括电子产品的恒温和加热设计。 2 引用标准GB 2903 铜-铜镍(康铜)热电偶丝及分度表GB 7423.1 半导体器件散热器 通用技术条件GB 7423.2 型材散热器GB 7423.3 叉指型散热器GJ

3、B /Z 27-92 电子设备可靠性热设计手册GJB /Z 299B-98 军用电子设备可靠性预计手册3 术语3.1 热环境 thermal environment设备或元器件周围流体的种类、温度、压力及速度, 表面温度、外形及黑度, 每个元器件周围的传热通路等情况。3.2 热特性 thermal characteristics设备或元器件的温升随热环境变化的特性, 包括温度、压力和流量分布特征。3.3 热流密度 thermal current density 单位面积的热流量。3.4 热阻 thermal resistance热量在热流路径上遇到的阻力。3.5 内热阻 internal re

4、sistance元器件内部发热部位与表面某部位之间的热阻。3.6 安装热阻 mounting thermal resistance 元器件与安装表面之间的热阻, 又叫界面热阻。3.7 自然冷却 natural cooling利用自然对流、传导和辐射进行冷却的方法。3.8 强迫冷却 forced cooling利用外力迫使流体流过发热器件进行冷却的方法。3.9 温度稳定 temperature steady温度变化率不超过每小时2时, 称为温度稳定。3.10 紊流器 turbulator提高流体流动紊流程度并改善散热效果的装置。3.11 热沉 ultimate sink是一个无限大的热容器,其温

5、度不随传递到它的热能大小而变化。它也可能是大地、大气、大体积的水或宇宙。又称热地。4 热设计通用要求4.1 热设计基本要求4.1.1 最高允许温度与设备可靠性的要求以及分配给每一个元器件的失效率相一致。4.1.2 热设计应与其它设计 (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。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。4.1.3 热设计首先应控制自身发热, 要求效率高, 功耗小。其次是有效的散热, 使有源器件及线路损耗的热量迅速散发。4.1.4 在热设计中, 热流量、热阻和温度参数中, 温度参数是衡量热设计有效性

6、的主要参数。4.1.5 热设计采用的冷却方法要简单而经济, 并适用于特定的电子产品和环境条件, 同时满足可靠性要求。为降低产品热传递通路上的热阻, 采用多种冷却方法,主要冷却方法的选择要根据热流密度和温升, 依照GJB/Z27中图6-2进行。4.1.6 当热沉温度较高, 热源与热沉之间温差较小, 采用低热阻通路, 难以满足散热要求时, 设法改造外部环境, 降低热沉温度。4.1.7 热设计中允许有较大的误差。4.2 热设计步骤依照定性设计原则进行, 以下步骤视需要合理取舍：a) 熟悉掌握有关标准规范, 确定设备 (或元器件) 的散热面积、散热器或周围空气的极值环境温度范围。b) 确定采用自然冷却

7、还是强迫风冷。c) 对少量关键发热元器件进行应力分析, 确定其最高允许温度和功耗, 并对其失效率加以分析。d) 按器件和设备的组装形式, 计算热流密度。e) 由器件内热阻 (查器件手册) 确定其最高表面温度。f) 确定器件表面到散热器或空气的总热阻。g) 根据热流密度等因素对热阻进行分析与分配, 并对此加以评估。h) 确定是否需要改变冷却技术和传热方法。i) 对不同冷却方案估算成本,比较权衡, 同时在热设计中应兼顾可靠性、安全性、维修性、EMC设计。注: 以上步骤中的计算方法和具体举例见GJB/Z 27-92中第五部分热设计方法。5 元器件应用的热设计5.1 从热性能出发选用元器件要求:a)元

8、器件所用材料的导热系数要高;b)内热阻要小;c)耐热性要好;d)结构形式要有利于散热。5.2 半导体器件的散热(或冷却)器件生产厂应提供的热特性参数包括工作参数与温度的关系曲线, 最高和最低贮藏温度, 最高工作结温及有关热阻值。下面为器件自然冷却的关系式: ( t-t )/ = R + R + R (1)式中t、t为器件结温和环境温度, R 、R 、R分别为内热阻、界面热阻和散热器热阻, 为器件功耗。t和R由相应手册给出, 最高结温t 取决于晶体管的结构工艺和材料,锗管一般为80100,硅管一般为125200,考虑到器件应用的可靠性,t(0.50.8)t 。小功率晶体管通常采用自然对流冷却的方

9、法使其降温,其内热阻为0.22.5/W。管壳与集电极有电连接时, 安装设计必须保证电绝缘。对某一特定的晶体管而言, 内热阻是固定的。R 取决于电路设计和热设计技术,为减小管壳与散热器之间的界面热阻, 应选用导热性能好的绝缘衬垫 (如导热硅橡胶片、聚四氟乙烯、氧化铍陶瓷片、云母片等等) 和导热绝缘胶, 并增大接触压力。5.3 散热器的选择5.3.1 散热器选用原则 a) 根据器件功耗、环境温度及允许最大结温(保证t(0.50.8)t )来选择合适的散热器。 b) 器件与散热器的接触面应保持平整光洁,散热器的安装孔要去毛刺。 c) 器件与散热器和绝缘片间的所有接触面处应涂导热膏或加导热绝缘硅橡胶片

10、。 d) 型材散热器应使肋片沿其长度方向垂直安装,以便于自然对流。 e) 散热器应进行表面处理,以增强辐射换热。 f) 应考虑体积、重量及成本的限制和要求。5.3.2 散热器选择方法 已知功率管的型号, 输出电流, 电压及环境温度。 根据GB7423.1至GB7423.3选用标准散热器。散热器种类包括平板式、柱式、扇顶式、辐射肋片式、型材散热器和叉指型散热器等。扇顶型散热器扇顶部分面积较大,散热效果较好,适合小功率晶体管的散热,其耗散功率范围为0.52W。型材散热器可根据需要截取长度,其热阻不直接随长度的增加而减少。有时安装在机壳背后,既散热,又起到骨架作用。叉指型散热器的体积小、重量轻、散热

11、效果好, 交叉排列的指状散热片使对流和辐射散热效果都比较理想。散热器选择示例见附录C（提示的附录）。5.3.3 散热器安装界面要求 从5.2条中的热传导公式可以看出, 在器件内热阻、界面热阻和散热器热阻一定情况下, 器件功耗直接影响结温, 因此,热设计的任务就是尽可能减小界面热阻R和散热器热阻R。对器件与散热器的接触面进行光洁处理、适度增加接触压力、充分利用接触面积、减少接触面插入物质厚度和选用低热阻率的导热材料可以有效降低界面热阻。使用导热衬垫时还要考虑六个月以后的界面热阻会有约20%的增加。5.4 集成电路的热设计半导体集成电路热设计要设法减小集成电路与散热器表面之间的安装界面的热阻。对平

12、面封装和DIP元器件要尽量利用其引线的导热。5.5 元器件自然对流换热的简化计算：5.5.1 计算法:器件表面温度或其散热量按简化公式(2)计算: = /A = 2.5Ct/D(2)式中: 热流密度,W/m2; 热流量,W;A 换热面积, m2;C系数,由GJB/Z 27-92 中表5-1查得; t换热表面与流体(空气)的温差,; D特征尺寸,m。见GJB/Z 27-92 中表5-1介绍。 注: 本算法适用于自然冷却方法, 器件未加散热器。5.5.2 查图法:根据已知器件 (或设备) 的形状, 尺寸及位置, 可用GJB/Z 27-92中5.4.1.1条介绍方法, 通过图5-1的自然对流换热计算

13、列线图, 在已知/A时求出t,反之一样。6 电子组件的热设计6.1 印制板组件的热设计要求6.1.1 进行印制板组件的热设计首先要了解元器件的热特性,如元器件的耗散功率,最高允许温度,元器件的有效散热面积等。6.1.2 要了解设备、印制板组件和元器件周围的环境条件, 如周围环境温度、气压、冷却剂入口温度,流速等。6.1.3 印制板组件的热设计与电气设计, 结构设计同时进行, 以便获得热阻最低的传热路径方案。6.1.4 PCB板的热设计原则6.1.4.1 在条件允许的情况下,选择更厚一点的覆铜箔,可有效提高散热性能。6.1.4.2 PCB板散热设计中,应尽可能采用大面积接地,大面积的铜箔能迅速向

14、外散发PCB板的热量。6.1.4.3 对印制板上的接地安装孔采用较大焊盘,不得小于安装界面,以充分利用安装螺栓和印制板两侧的铜箔进行散热。6.2 印制板组件上电子元器件的热安装技术6.2.1 印制板组件上电子元器件的布置原则6.2.1.1 对温度敏感的器件和不耐热的器件,放在冷气流的上游(入口端),发热量大而且耐热的器件, 放在冷气流的下游(出口端)。6.2.1.2 在不影响电气性能的前提下,电子元器件的布置,应尽量使热量均匀分布,大规模集成电路应放在印制板组件的冷区域内。6.2.1.3 垂直放置的自然散热的印制板,电子元器件的安装应尽量采用减小气流阻力的安装形式,尽量使整块印制板上的气流均匀

15、流动,提高散热效果。6.2.1.4 小功率分立器件与印制板之间的间隙3 5mm,以利于自然对流散热。功率较大的元器件,在器件与印制板之间填充导热绝缘材料,如导热硅橡胶等。6.2.1.5 元器件的布置按其允许温度进行分类,允许温度较高的元器件放在允许温度较低的元器件上方。6.2.1.6 发热量大的元器件尽可能靠近温度低的表面(如金属外壳的内表面,金属底座及金属支架等)安装,并与表面之间有良好的接触热传导。6.2.1.7 尽可能减小安装界面及传热路径上的热阻。6.2.2 电子元器件安装热应力设计要求:a) 轴向引线的圆柱形分立器件如电阻、二极管等,采用搭接时,引线长度应2.6m。b) 当印制电路板

16、上电子元器件安装密度较高时,器件引线事先加工成环形结构或一定的弯曲弧度。c) 大型矩形电子器件如变压器、扼流圈要留有较大的应变量。d) 小功率晶体管允许在其底部留有一定的空隙,中大功率晶体管在其底部安装散热片或散热器。e) 晶体管倒装,引线有较大的弯曲弧度。f) 晶体管翻转90安放在散热块上。g) 大功率集成元件, 在壳体下部加导热条,导热条的厚度应满足散热要求。h) 中小功率集成元件或元件壳体直接与印制电路板或导热条粘接,粘接剂的厚度控制在0.13 0.16mm。在小功率(0.2W以下)的集成元件下部留有小于0.3mm的气隙。6.2.3 热敏元器件安装原则 应放在设备的冷区(如底部),不能直

17、接放在发热元器件之上。7 电子模块的热设计7.1 电子模块的散热途径:a) 与模块形成一个整体的散热片,靠强迫空气对流带走热量;b) 通过模块两侧导轨及紧固件导热或强迫空气对流带走热量。模块热设计是使模块在上述任一传热路径上的热阻足够低, 以保证元器件温度不超过规定值, 将界面温度即散热片或导轨的表面温度控制在060。注1 根据模块内部要求进行设计,包括界面温度、功耗和元器件的许用温度等; 2 根据系统的环境、封装、单个或组合的模块功耗等要求,对整个系统进行热设计。7.2 模块内部的热设计7.2.1 模块处于最大功耗时及在其额定界面温度下,使所有元器件的温度低于元器件的临界温度(即比有关规范规

18、定的额定值的100%低20的温度)。7.2.2 当散热片和导轨温度达到80(比最高界面温度高20)时所有元器件的温度应低于或等于元器件的瞬态临界温度。7.2.3 在对模块进行热设计时,参考GJB/Z 27-92 第13.1条中的方法,利用热电模拟进行分析计算,不考虑热容量,只考虑热阻。8 热性能评价8.1 热性能评价的目的在进行环境试验和可靠性试验之前,对组件及周围环境进行热测试和热性能评价,热性能评价的目的是为了确定热设计与冷却系统的合理性与有效性。8.2 热性能评价的内容与方法a) 通过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。b) 分析热设计所采用的冷却方式是

19、否为优选的方案。c) 分析与比较所采用的冷却方式在规定的使用环境的空间限制的条件下, 它们的经济效益指标 (如重量、尺寸、热阻值大小、成本、可靠性等)。d) 采取定性分析与定量分析的办法,评价热性能。8.3 热性能草测 草测指“快速而不精确”的测量, 其步骤是: a) 检查仔细检查组件中是否有过热的现象。如电子元器件的变色、变黑、起泡、变形、漆起皱或变脏等现象。b) 确定关键元器件应根据可靠性要求,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,可作为设备的热性能指标。可根据GJB/Z 299B来确定关键元器件的最高安全工作温度 。 c) 在规定环境条件和设备处于最大功耗的情况下,测

20、量设备中关键元器件的表面温度。8.4 热性能检查项目 参见附录A（标准的附录）。8.5 热性能测量热性能测量的目的是对热设计的效果进行检验, 对冷却系统的适用性和有效性进行评价, 除了检查新设计的冷却系统是否达到预定技术指标外, 还要对机架、集中发热元器件、整机系统的热性能参数进行测量,为热设计提供技术数据。8.5.1 热测量的参数:a) 电子产品中的关键元器件、散热器及其它冷却装置的表面温度;b) 机架、系统内的温度分布;c) 机架内或风道处的空气流量和压力损失等。8.5.2 温度传感器及温度测量方法非接触式温度传感器可采用红外辐射测温仪(测温时应认真参阅使用说明,在有精度要求的场合下,应采

21、取相应的温度补偿,具体方法见说明书中的温度补偿方法和发射率附表);接触式温度传感器选择见附录B（标准的附录）。8.5.3 电子元器件的温度测量a) 对晶体管进行测温时, 应沿传热通路测量, 即测量与散热器接触的管座表面或其安装螺栓上的温度。b) 对小型发热元器件 (如电阻), 因其表面温度梯度较大, 较难确定某一点的温度值, 只测某一区域的平均温度。c) 对集成电路, 通常是测封装外壳的平均温度。附录A(标准的附录)热性能检查项目A1 冷却系统的检查项目对冷却系统检查时,应根据系统的类型选择检查项目。A1.1 自然冷却a) 是否使用最短的热流通路?b) 是否利用金属作为导热通路?c) 电子元器

22、件是否采用垂直安装和交错排列?d) 对热敏感的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?e) 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?f) 热源表面的黑度是否足够大?g) 是否有供通风的百叶窗口?h) 对于密闭式热源, 是否提供良好的导热通路?A1.2 强迫空气冷却a) 流向发热元器件的空气是否经过冷却过滤?b) 是否利用顺流气流来对发热元器件进行冷却?c) 气流通道大小是否适当? 是否畅通无阻?d) 风机的容量是否适当? 抽风或鼓风是否选择适当?e) 空气过滤器是否适当? 是否易于清洗和更换?f) 是否已对设备或系统中的

23、气流分布进行过测量?g) 关键的功率器件是否有适当的气流流过?h) 是否测量过功率器件的临界温度?i) 是否测量过风机的噪声?A2 电子元器件检查项目电子元器件的电应力水平是否与设备可靠性要求相一致? 在电路设计中是否进行了降额设计?A2.1 半导体器件a) 对热敏感的器件是否与高温热源隔离?b) 功率器件是否安装有散热器? 散热器的安装方式是否合理 (垂直于冷气流方向) ? 散热器的表面是否经过涂覆处理?c) 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?A2.2 电容器 电容器与热源是否采取隔离或绝热措施?A2.3 电阻器a) 功率大的电阻器是否采取了冷却措施?b) 对功耗大的

24、电阻器是否采用机械夹紧或封装材料来提高它的导热能力?c) 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) ?A2.4 变压器和电感器a) 是否为变压器或电感器提供了良好的导热通路?b) 是否将变压器或电感器置于对流冷却良好的位置? c) 对功耗较大的变压器和电感器是否采取了专门的散热措施?A2.5 印制电路板a) 是否将发热元器件与对热敏感的元器件进行热隔离? b) 对于多层印制电路板中采用金属芯的中间层, 这些层与支承结构件或散热器之间是否有良好的导热通路?c) 是否采用保护性涂覆和封装, 以降低印制电路板至散热器或结构件之间的热阻?d) 是否在必要的通路上采用

25、较粗的导线?附录B(标准的附录)接触式温度传感器种类和特点温度传感器测温范围应用特点热敏电阻-2001000小型廉价,适用一般设备热电偶-200600适用小空间测温,与二次仪表配套光纤温度传感器-50250适用强磁场测温,耐腐蚀玻璃温度计-80350使用广泛,精度低,易碎高温蜡笔、涂料、油漆0250不可逆,测局部温度注：上述各种测温方法的特点和详细测试参见GJB/Z 27-92中15.4.1条。附录C(提示的附录)散热器选择实例已知某电路使用晶体管, 晶体管功率为10W,环境温度为30, 管壳与散热器直接接触(R=0.5/W),试选用合适的散热器。a) 由晶体管手册查得该器件的有关参数: 最高

26、允许结温 tjmax=175, 内热阻 R=3.3/W 根据Q/ZX04 001-1997元器件降额准则, 对器件结温进行二级降额,即选 tj=125b) 计算总热阻R R= ( t-t )/ = (125 30)/10 = 9.5/Wc) 计算散热器热阻R R = R - R - R = 9.5 3.3 0.5 = 5.7/W 因此,只要选择的散热器热阻低于5.7/W, 就能保证结温t= 125 。d) 单位换算 R =5.7/W =5.7K(开尔文)/W tfa = R* =5.7 *10 =57 K 为使设备体积小,重量轻,拟采用叉指型散热器。由GB7423.3查得SRZ114型叉指散热器能满足设计要求。