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电子产品热设计的意义

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电子产品中芯片温度过高是人们最常遇到的产品失效原因之一。电脑、手机等电子产品在长时间使用后反应变慢,实际上除了软件运行过程中产生的数据碎片,芯片持续工作在高温下,其内部架构的破损也是不可避免的原因之一。生活中应该都有这样的经历,使用一段时间后的电脑,即使更换装有全新系统的硬盘,其反应速度也不会有太大改善。这就是因为电脑内部硬件的破损,这种破损会随着运行时间的延长持续加大,性能也持续衰减。

事实上,抛除外力的冲击,如进水、跌落、撞击、拉拽、折弯等意外因素,所有电子芯片失效的直接原因都是封装温度过高。美国空军航空电子完整计划曾对所有芯片的失效原因做过分析,结果发现由于温度过高而导致的失效占所有故障原因的55%


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电子产品失效因素(数据来源:美国空军航空电子完整性计划,AVIP

对于温度对产品运行寿命的影响,一个接近实际情况的近似估测是:芯片温度每升高10℃,其运行寿命减半。当然,这里的温度上升10℃,是在芯片正常工作温度范围。下图为某典型芯片运行寿命随时间的变化曲线:

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(按照环境温度60℃,活化能1.0eV计算)

图中可清楚地看出,在70℃~140℃范围内时,芯片的运行寿命会随温度的升高迅速下滑。

实质上,温度控制的意义远不止防止芯片失效。以LED灯举例,除了严重影响运行时长,结温上升还会剧烈影响光输出效率。光输出效率降低后,实现相同的亮度,LED灯的发热量将会上升,带来更大的能源消耗。

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(图片来源:《温度对LED的影响分析》,

                                                                            http://wenku.baidu.com/view/469630c1d5bbfd0a79567356.html?re=view

另外,结温的上升,对于光质量的控制也有负面的影响。当温度上升,功能芯片的实现相同的运算效率,其能耗会上升。在更高的温度下,物质的化学活性更高,性质变得更加不稳定,芯片自身的稳定性也会变差。


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因此,芯片的温度对电子产品的运行寿命、能源效率以及性能对稳定性三个方面都有非常直接且显著的影响。电子产品制作完成后最初测试可以正常运行,完全不能说明其就是合格可靠的。一款优秀的、经得起市场考验的电子产品,必须进行温度控制设计。而对于当前火爆的消费类终端产品,例如手机、平板电脑、游戏机等,不仅要控制好芯片温度,产品的外壳温度也是影响客户体验的关键方面。随着电子产品功率密度的持续提升,电子产品的散热问题必将日益凸显,热设计工程师面临巨大的挑战与机遇。



参考资料:

陈继良:从零开始学散热.第四版.第一章


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