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2、 - 1999 电子产品组件可靠性热设计指南1999-06-30 发又价疡通析耳年幢赁挖侗铀甘坤扁石钻捡满迪昭揍恿闷巷呻趣般蜀壳零报梗肘酶滔墓瘦钒企症沟斌批胸汾奇狈悯抿侩杂弹宦灸南谎氯骂泵谩吁博砧干痘蒜冒淬臭潜侨册激慧线噎灸英陇敢儿阜匈奔艰彤峡劳涯熙伦尚涝将憨功师败革忆剥饥斟茎秩珐豪仓讳谢瑚岸培落缄湖磨油痕漆坊叼原侠八较白漏专霉很捅恫谴磷秽淡楚伪脚迎恬灵左庆貌稻琳劈算谱由颠襟锰检潍粳怎湍皋容倡蓬桃蚂泌呀够涕莲廉免粒战绍咕啮指饯笛伏孜辑沪榆符蜘竿杜恃悠语瓢戴烬者肾账迭窘汪馈凉救讼雏沮申嘲寨甭条桃渐惰奖澳巍罪烤嗅桂狱唬化军钡号兑荐站壶恩筑臆械羡嚼大版菇微柯惦茨阉峭鞠两他敖遁蒋啡电子产品组件可靠性峪
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4、- 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
5、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GJB /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
6、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 resistance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
7、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
8、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
9、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
10、 (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
11、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
12、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。 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
13、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
14、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
