电子工艺设备的热设计

电子工艺设备的热设计

陈华林 (武汉铁路职业技术学院电子电气工程系湖北武汉430000)
摘要： 随着电子工业的发展， 电子工艺设备的应用越来越广泛，而可靠的热设计是保证电子设备可靠性的重要措施，主要简单介绍电子工艺的热设计、热设计的基本原则、热量传递基本方式及计算。
关键词： 电子工艺设备；热设计；可靠性
中图分类号：TP391．9 文献标识码：A 文章编号：1671-7597(2012)0110053-01

随着电子工艺的发展，电子工艺设备利用的已经不仅仅是电气和机械技术的结合，而是更多的综合应用到声、电、光、热、等离子物理、计算机等多项技术。并且随着电子工艺设备的应用越来越广泛，因而对其运行的稳定可靠性的要求也越来越高。而可靠的热设计又是保证电子设备可靠性的重要措施。

1电子工艺的热设计
电子工艺的热设计主要是指利用热传递技术，降低电子设备发热部件、元器件的温度，使设备的内容温度处在正常运行允许的范围内，使电子设备的抗温度应力能力得以提高。热设计的主要目的就是为了控制电子工艺设备内部所有元器件的温度。电子工艺内部元器件的最高安全的计算分析应该是基于元器件的应力，并且保证设备内部元器件的失效率和所要求的设备可靠性的一致。通过热设计，保证设备的安全使用、性能稳定，避免元器件失效从而提高整个设备的无故障工作时间。减缓部件的老化、氧化、磨损等，延长整个设备的使用寿命。
通常电子设备的热设计可以分为系统级热设计、封装级热设计、元器件级热设计三个层次。系统及热设计主要是指对电子设备的方腔、机箱和机框等系统级别的热设计；封装级的热设计主要是指对电子模块、PCB级主板和散热器等级别的热设计：而一些组件级别的热设计通常就被称为是元器件热设计。
系统级的热设计主要是以电子设备所处的环境作为研究对象，如温度、湿度、沙尘、盐分、海拔、震动、冲击等对其的影响 并且环境温度也是电路板热设计的一个重要边界条件
系统级别的热设计则主要采用一系列的措施对环境温度进行控制，确保电子设备在在一个比较适宜的温度下工作。
电子设备封装级的热设计在国外电子工艺比较发达的国家已经比较完善，在有些国家电子器件封装已经成为了一面专业学科。电子设备封装级的PCB电路板、电子模板热设计、设备电路设计及结构设计之间存在着紧密的联系，并且通常同步进行。其中电子设备封装级热设计最重要的内容就是对PCB电路板基材的选择，覆铜箔层压板的种类、特性是印制电路板设计和制造工艺人员所关心的项目，覆铜板除了在强度、介质系数、绝缘等方面有要求外，同时在热性能方面有其特殊的要求。覆铜板的热性能主要有两个方面：
1)覆铜板的耐温性。环氧剥离布覆铜箔层压板有很好的化学稳定性及电性能，其工作温度一般介于零下23O℃至260"C之间。而聚酰亚胺覆铜箔层压板除了具有良好的化学稳定性和电性能外，还具有介电系数小和信号传输延迟小等方面的优势。
2)覆铜板的导热性能。印制电路板的材料通常会采用一些导热系数高且耐高温的材料。在同等环境下，当环氧玻璃布层压板图形导线温度升高到40"(2时，金属芯印制电路板图形导线的温度升高低于20℃。正是由于金属芯印制电路板具有比较好的热性能，因而在电子设备中得到广泛的应用。
电子设备的各个部件主要是由塑料封装外壳、铝互连线、硅芯片、氧化硅绝缘膜、金属引线框架等共同组成。这些材料的热膨胀系数各不相同，随着设备的运行内部的温度会产生变化，不同材料部件的交界面会产生压缩、伸拉应力，产生热应力。电子设备的元器件级热设计就是为了防止元器件由于温度交变或是温度够高而出现故障。
2热设计的基本一求
2．1热设计应该满足设备可靠性的要求
电子设备运行的时候其输入的电能在元器件作用下下会转化为热能，散发在设备内部，升高设备内部温度。温度的升高将影响设备内部很多元器件的性能，导致元器件失灵，并影响整个设备的正常使用。热设计的最主要目的就是解决设备内部温度过高的问题，通过热设计，利用相关的措施对发热元器件进行散热冷却处理。降低设备内部温度，保证整个设备健康可靠的运行。要保证设备的可靠性，在热设计的时候需要注意以下几点：
1)元器件降额应用对设备内部的温度也会有一定的要求，在热设计时要注意满足这一要求。一般情况下， 电子工艺设备的机内温度最好保证在45℃～65℃之间，功率较大的设备其机内温度通常也应尽量控制在5O℃~70"C之问。
2)整机的散热冷却设计方案应该要根据设备的功率密度大小来进行。如果设备的功率密度大于43KW／m3时，可以用水冷却方案；如果功率密度大于12．2kW／m3时， 可以利用强制风进行冷却；当功率密度比12．2kW／m3tJ~时，一般采用自然冷却。
3)对发热元器件采取散热措施时应该尽量满足其对热轧的要求。通常，倘若发热元器件对电阻要求在0．05℃／w～2℃／w之间时，可以利用轴流风机强制风冷散热；当对热阻的要求在212／w~30"C／w时．通常使用散热器进行散热；如果对电热组的要求大于30"C／W，那么不需要任何的散热措施。
4)机箱设计方案与设备的冷却散热方案要相适应。即在设计机箱时要充分考虑其通风散热性能，方便冷热空气的对流，方便快速散发机箱内部的热量。
5)部件、元器件的布置应着重注意散热、降温。在实际操作中通常将一些不发热或是产生热量较小的元器件安装于机箱底部，机箱的上部安装发热量较大且较为耐温的元器件，元器件与机箱之间的最好保持35mm~40mm的距离，方便空气对流、散热。
6)电子工艺中的某些元器件或是部件对温度比较敏感或是有特殊的要求，这些部件应该要尽可能的远离热源，如果不要还可以用隔离法隔开热源，使这些部件在结构上分开成为独立的两个部分。
2．2热设计要满足设备预期工作的热环境要求
电子设备预期工作的热环境主要包括：环境温度、压力和高度地极限值与变化率；阳光等周围物体的辐射热载荷；温度、种类、湿度、压力等可利用的热沉状况；对于有其他系统、设备提供冷却剂进行冷却的设备来说，还需要考虑冷却剂的温度、种类、压力和允许的降压。
2．3在热设计时还需要考虑冷却系统的限制要求
这些限制要求主要包括：对冷却系统的安装条件、体积、重量、密封等结构限制；限制冷却设备的振动、噪音；限制供冷系统所使用的电源，主要是限制其采用交流还是直流，还有电源：对强迫空气冷却设备的空气出口温度的限制。

3传热的基本原则和计算方法
电子工艺设备的所需的输入功率往往比有效输出功率要大得多，这些多余的功率会在运行中转化成为热能被散发出去。随着电子工艺技术的不断进步，电子设备和元器件的体积越来越小，使设备的体积功率密度增加了。因此需要配置相应的冷却系统，在热源与外部环境之间提供一条低热阻通路，保证传热顺利进行。在传热中热量总是从温度较高的一端传向温度较低的一端的，并且高温端散发的热量总是等于低温端吸收的热量。热传递的过程可以分为两种： 不稳定过程和稳定过程。不稳定过程即是在热传递过程中设备各点的温度会随着时间变化而变化；稳定过程是指热传递过程中设备各点的温度稳定不变。
巾=KAAt即是传热的基本计算公式，在这个式中 是热流量；K为总传热系数；A是设备传热面积； A t表示低温端与高温端的温度差异。
导热、对流和辐射是热量传递的三种主要方式。这三种方式可以单独作用，也有可能后两种共同作用。
3．1导热
在电子设备中由一些传导系数较大的材料成为导体，产生的热量通过导体进行传递。导热在气体、固体或是液体中都可以进行。气体分子的不规则运动时相互间的碰撞完成了气体导热工作 而固体导热可以分为两种，导电性固定和非导电性固定导热，导电性固体主要是借助自由电子运动来进行导热的，而非导电性固体的导热则主要是通过晶格结构的振动实现的。液体导热主要是通过弹性波的作用完成。
在导热中，单位时间内通过固定截面的热量与该界面垂直方向上的温度变化率和截面面积成正比例关系，而热量传递的方向与温度升高的方向总是相反的，这即是傅里叶定律。其计算公式为：中=一^A(dt／dx)式中的中表示热流量；负号表示热传递方向和温度梯度的方向相反；^表示导热系数；A是传热面积，而dt／dx~lJ表示x方向的温度变化率。

3 2对流
对流主要发生于流体中，是由流体各部分之间相对位移过程中产生的热传递。并且对流过程中必然会伴随导热现象。对流可以分为两种：自然对流和强迫对流。
自然对流主要是由流体冷热各部分不同的密度引起的；强迫对流是指由由泵、风机等外力运动引起的对流。
对流换热可用牛顿冷却公式计算： =h A(t 一t )
在这个公式中h 表示的是对流换热系数，A表示传热面积， 是热表面温度，t 表示的是冷却流体温度。
3 3辐射
物体以电磁波的形式传递热量的过程被称为热辐射。热辐射可以在真
空中传递并且还可以将辐射能转换成热能或是能够将热能转换为辐射能。
物体辐射能的计算公式为： =￡A 0 oT
在这个公式中， e表示的是物体的黑度，A是为辐射表面积， 0 c，是斯蒂芬一波尔兹常数通常用5．67×10 W／9(m ·K4)表示，T是物体表面热力学温度。
参考文献：
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[3]齐永强、何雅玲、张伟、郭进军，电子设备热设计的初步研究[J]．现代电子技术，2003(01)．
作者简介：
陈华林(1970一)，女，湖北省武汉市人，大本工程硕士，讲师，研究方向：电子及光电子。