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电子元件散热问题的实验研究

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0引言

随着现代电子元件对可靠性要求、性能指标、功率密度等进一步的提高,电子元件的热设计也越来越重要。根据相关文献记载,电子设备的失效率有55%是由于温度超过电子元件的规定值引起的。温度对各类元件的性能影响是不同的,在常见的元件中,温度对半导体的影响最大。电子设备中大量运用电子元件如集成运放、TTL逻辑芯片、各种电源稳压芯片等,其基本组成单元是P-N,对温度的变化非常敏感。P-N结的性能温度函数关系式

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式中:

ICO温度为T时的反向漏电流;

ICOR温度为TR时的的反向漏电流。

(1)式可以看出,温度每升高10℃,ICO将会增加一倍。这种随温度的变化,将会直接导致运放工作点发生漂移,晶体管的放大系数β发生变化并造成运放增益不稳定。所以要选择合理的散热和冷却方式,设计有效的散热系统,把电子元件的温度控制在规定的温度值之下,在热源至外部环境提供一条低热阻通道,确保热量能够顺利的散发出去。本文就韩国蓝鸟手机(运行时温度过高)作为实验主体,对其进行散热实验。

1实验的建立

本实验的目的是基于人们对手机使用的安全性及舒适度,而韩国蓝鸟这款手机在通话30分钟以上、摄影、充电、电量低于50%的时候,智能手机的工作温度高于出厂规定的温度,这对用户的使用安全性及舒适度大打折扣,故设计以下实验装置,测量并采用贴石墨烯的方法降低智能手机工作时的温度。

实验工具主要包括红外摄像仪,其型号是FLUCKT25,其主要用于测量智能手机发热源的红外图像,并且通过图像可以得到热源的温度分布情况。温度计用于测量室温,保证整个实验过程室温保持在±1的波动范围之内,使实验的测量结果更加稳定,偏差更小。云台主要是其支撑固定红外热像仪的作用。支撑板主要用于固定手机的位置,以免在测量过程中移动,还可以固定测量距离、测量位置,使得测量结果更加准确。

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根据实验目的及要求设置以下四种实验工况:①不贴石墨烯散热材料;②在手机后盖上贴石墨烯散热材料;③在智能手机屏蔽罩上贴石墨烯散热材料;④在智能手机后盖及屏蔽罩上贴石墨烯散热材料。(本次实验所用的石墨烯厚度为20μm,背面采用8μm的双面胶来给其背胶)并且每一种工况都在以下七种负荷进行实验,分别是:低电量、低电量+游戏、低电量+摄影、充电、充电+游戏、充电+摄影、摄影。

实验方法是将未贴石墨烯的手机运行一段时间后(智能手机的工作温度基本上达到一个稳定状态),采用红外热像仪测其发热源温度;然后等手机冷却后贴附上石墨烯,并以相同的条件运行手机,相同的时间后采用红外热像仪拍摄发热源温度。

2实验结果及分析

根据实验要求及实验步骤进行实验,并得到了各个工况下各种负荷的智能手机发热源的最高温度值,如表1所示:

由图2可以看出,智能手机贴了石墨烯散热材料后,最高温度值有了明显的下降,这说明石墨烯散热材料能够很快的将发热源产生的热量迅速的传送到周围温度较低的区域,这也体现出了其水平方向有很大传热系数的特点。不论是将石墨烯散热材料贴在智能手机后盖还是屏蔽罩上,两者之间没有明显区别,也就是说石墨烯贴的位置对其散热没有影响。但是当给智能手机贴两片散热材料时,很明显能看出比贴一片的散热效果要好,这是因为手机后盖与屏蔽罩之间有一定间隙,空气的导热系数很小,不能把发热源产生的热量迅速传送到周围温度较低的区域。

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根据上表做出做出其柱状图,如图2所示:

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3结论

1给智能手机贴了石墨烯后,最高温度值有明显的降低,这是由于石墨烯在水平方向有很大的导热率(1000-5000W/(m2.k)),将发热源产生的热量迅速的传送到周围温度较低的区域;

2最高温度的降低是因为将高温区域的温度传送到低温区域,这样使得电子元件表面的温度趋于均匀化,可大大的减少由于发热引起的热应力,可以有效的防止电子元件的热变形,提高了电子设备的使用寿命;

3贴两片的散热效果明显比贴一片好,由于空气的导热系数太小,不利于散热,最好使用厚的石墨烯散热材料,使得智能手机的后盖与屏蔽罩有充分的接触,以提高散热效率。

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