新技術(shù)應(yīng)用子工業(yè)專用設(shè)蓄Equipment for Electronic Products ManufactPE電子工藝設(shè)備的熱設(shè)計王朝偉,衛(wèi)兵(西安捷盛電子技術(shù)有限責(zé)任公司,陜西西安710119)摘要:介紹了電子工藝設(shè)備熱設(shè)計的基本要求、目的、傳熱的基本原則以及熱量傳遞的基本方式。關(guān)鍵詞:電子工藝設(shè)備;熱設(shè)計;熱環(huán)境;熱特性中圖分類號:TN605文獻標(biāo)識碼:C文章編號:1004-4507(2007)10-006603Thermal Design of Electronic Technics EquipmentWANG Chao-wei, ZHANG Wei-bing(Xi'an Jiesheng Electronic Technology Co Ltd, Xi'an 710075, China)Abstract The text introduces the basic requirement, the purpose of thermal design, basic principle asell as the basic mode of the heat transfer of the electronic technics equipment.Keywords: Electronic Technics Equipment; Thermal Design; Thermal Environment; Thermal Charac-teristic由于電子產(chǎn)品日新月異的發(fā)展,電子工藝設(shè)備的可靠性?，F(xiàn)在電子元器件的集成度越來越高,功已不是單純的機械和電氣技術(shù)知識的結(jié)合,其工作率越來越大,單位體積產(chǎn)生的熱量越來越多,隨著機理涉及到光、聲、熱、化、計算機、等離子物理等多熱量的積累,溫度的升高,電子元器件的可靠性受種學(xué)科和先進技術(shù)的綜合應(yīng)用,電子工藝設(shè)備已成到很大的影響,換言之,電子工藝設(shè)備的可靠性受為知識密集和技術(shù)密集的工藝性很強的產(chǎn)品。另一到很大的影響。因此熱設(shè)計是電子工藝設(shè)備可靠性方面,電子工業(yè)的生產(chǎn)日益向著大批量生產(chǎn)的方向設(shè)計很重要的一部分內(nèi)容。發(fā)展,對電子工藝設(shè)備又提出越來越高的自動化程度和在生產(chǎn)運行中的穩(wěn)定可靠的要求。電子產(chǎn)品,1熱設(shè)計及熱設(shè)計目的特別是電子元器件產(chǎn)品生產(chǎn),要靠電子工藝設(shè)備穩(wěn)定可靠的正常運行來確保其高生產(chǎn)率和高成品率。利用熱傳遞技術(shù),降低發(fā)熱元器件和部件本身因此電子工藝設(shè)備的可靠性問題是一項具有相當(dāng)?shù)臏囟?使整機內(nèi)部溫度升降到所要求的范圍,以難度的高技術(shù)性問題。電子工藝設(shè)備的基礎(chǔ)是電子提高設(shè)備抗溫度應(yīng)力的能力。這種可靠性設(shè)計稱為元器件,設(shè)備的可靠性在很大程度上取決于元器件熱設(shè)計中國煤化工收稿日期:200709-17CNMHG作者簡介:王朝偉,男,助理工程師。主要從事半導(dǎo)體專用設(shè)備的開發(fā)和應(yīng)用工作,主管并參與了多項半導(dǎo)體工藝設(shè)備的研制生產(chǎn)60(總第153期)D200EPE|,電子工業(yè)專用設(shè)苗ment for Electronic Products Manufacturin新技術(shù)應(yīng)用熱設(shè)計的目的是控制電子工藝設(shè)備內(nèi)部所有放在機箱下部:發(fā)熱量大的耐溫能力強的部件應(yīng)元器件的溫度,使其在設(shè)備所處壞境條件下不超過放在機箱上部,元器件與機箱之間的距離最好大于規(guī)定的最高允許溫度(最高允許溫度的計算應(yīng)以元35~40mm,以利于空氣對流及散熱器件的應(yīng)力分析為基礎(chǔ),并且與設(shè)備可靠性的要求(6)對溫度有特殊要求的溫度敏感元器件或部以及分配給每一個元器件的失效率相一致),保證件應(yīng)盡量使它們避開熱源。必要時可采用隔離法將電器性能穩(wěn)定,避免或減少電參數(shù)的溫度漂移;降熱源隔開,甚至可在結(jié)構(gòu)上分開,各自獨立成兩部分。低元器件的基本失效率,提高設(shè)備的平均無故障工作時間(MTBF):減緩機械零部件氧化、老化、疲勞22熱設(shè)計應(yīng)滿足設(shè)備預(yù)期工作的熱環(huán)境的要求以及磨損等進程,從而延長整機的使用壽命電子工藝設(shè)備預(yù)期工作的熱環(huán)境包括:(1)環(huán)境溫度和壓力(或高度)的極限值2熱設(shè)計的基本要求(2)環(huán)境溫度和壓力(或高度)的變化率(3)太陽或周圍其它物體的輻射熱載荷;2.1熱設(shè)計應(yīng)滿足設(shè)備可靠性的要求(4)可利用的熱沉狀況(包括:種類、溫度、壓設(shè)備的輸入功率通過元器件轉(zhuǎn)換成熱能,并在力和濕度等);設(shè)備內(nèi)部散發(fā)出來,使設(shè)備內(nèi)溫度升高。高溫對大(5)冷卻劑的種類、溫度、壓力和允許的壓降多數(shù)元器件將產(chǎn)生嚴(yán)重的影響它會導(dǎo)致元器件的(對于有其它系統(tǒng)或設(shè)備提供冷卻劑進行冷卻的設(shè)失效,進而引起整個設(shè)備的失效。為了解決這個技備而言)。術(shù)問題,通過熱設(shè)計的途徑,采取使發(fā)熱元器件散熱冷卻的措施來降低設(shè)備的溫升,從而保證設(shè)備的23熱設(shè)計應(yīng)滿足對冷卻系統(tǒng)的限制要求可靠性。為此對熱設(shè)計方案應(yīng)著重考慮以下問題(1)對供冷卻系統(tǒng)使用的電源的限制(交流或(1)熱設(shè)計方案要滿足元器件降額應(yīng)用對設(shè)直流及功率);備內(nèi)溫度的要求。因此一般電子工藝設(shè)備的機內(nèi)溫(2)對強迫冷卻設(shè)備的振動和噪音的限制;度應(yīng)設(shè)法控制在45~65℃范圍以內(nèi),對功率密度(3)對強迫空氣冷卻設(shè)備的空氣出口溫度的大一些的設(shè)備也不應(yīng)超過50~70℃范圍限制;(2)整機的散熱冷卻方案應(yīng)與設(shè)備的功率密(4)對冷卻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)限制(包括安裝條件、度大小相適應(yīng)。一般原則是當(dāng)功率密度低于122kWm3密封、體積和重量等)。時,可選擇自然冷卻方案;當(dāng)超過122kWm3時,應(yīng)選擇強制風(fēng)冷卻方案;當(dāng)超過43kW/m3時,則3熱設(shè)計的基本問題應(yīng)選擇水冷卻方案(3)對發(fā)熱元器件采取散熱措施時,要滿足其電子工藝設(shè)備的有效輸出功率比所需的輸入對熱阻的要求。一般原則是若發(fā)熱元器件對熱阻的功率小得多,而這部分多余的功率則轉(zhuǎn)化為熱而耗要求大于30℃N時,可不必采用散熱措施;當(dāng)對散掉。隨著電子技術(shù)的發(fā)展電子元器件和設(shè)備日熱阻的要求在2~30℃w時,可采用散熱器散熱:趨小型化,使得設(shè)備的體積功率密度大大增加。因當(dāng)對熱阻的要求在005-2cw時,則應(yīng)采用軸此,對電子工藝設(shè)備必須配置冷卻系統(tǒng)(包括自然流風(fēng)機強制風(fēng)冷散熱等;冷卻),在熱源至熱沉(外部環(huán)境)之間提供一條低(4)機箱設(shè)計方案要滿足設(shè)備散熱冷卻方案熱阻通路,保證熱量順利傳遞出去。的要求?？偟囊笫菣C箱結(jié)構(gòu)通風(fēng)散熱良好,便于冷熱空氣交換,迅速散發(fā)機內(nèi)所產(chǎn)生的熱量V凵中國煤化工(5)對部件和元器件的布置要著眼于散熱和CNMHG降溫。一般原則是發(fā)熱量輕微或不發(fā)熱的元器件應(yīng)凡有溫差的地方就有熱量的傳遞。熱量傳遞的20(總第153期)⑥新技術(shù)應(yīng)用甲工皿有用設(shè)面。EPE2個基本規(guī)律是:熱量從高溫區(qū)流向低溫區(qū);高溫生的熱交換過程,稱為對流換熱。由流體冷熱各部區(qū)發(fā)出的熱量必定等于低溫區(qū)吸收的熱量。分的密度不同所引起的對流稱為自然對流。若流體熱量的傳遞過程可區(qū)分為穩(wěn)定過程和不穩(wěn)定的運動由外力(泵、風(fēng)機等)引起,則稱為強迫對流。過程兩大類:凡是物體中各點溫度不隨時間而變化對流換熱可用牛頓冷卻公式計算:的熱傳遞過程稱為穩(wěn)定熱傳遞過程:反之稱為不穩(wěn)φ=hA(tu-t)定過程。式中:h。為對流換熱系數(shù):傳熱的基本計算公式為:A為傳熱面積;=KA△t(1)t為熱表面溫度式中:φ為熱流量;攻為冷卻流體溫度K為總傳熱系數(shù)A為傳熱面積4.3輻射△t為熱流體與冷流體之間的溫差物體以電磁波形式傳遞能量的過程稱為熱輻熱量的傳遞有3種基本方式:導(dǎo)熱、對流和輻射。輻射能在真空中傳遞能量,且有能量形式的轉(zhuǎn)射。它們可以單獨出現(xiàn),也可能2種或3種形式同換,即熱能轉(zhuǎn)換為輻射能及從輻射能轉(zhuǎn)換成熱能。時出現(xiàn)。任何物體的輻射能力表示為:φ=cAoT4(4)4.1導(dǎo)熱式中:E物體的黑度利用熱傳導(dǎo)系數(shù)較大的材料作熱導(dǎo)體,將熱量A輻射表面積由高溫端傳到低溫端。因物體的導(dǎo)熱是由分子、原σ斯蒂芬一玻爾茲常數(shù)567×103w(m2…K4)子或自由電子相互碰撞所引起,所以導(dǎo)熱可以在固T為物體表面的熱力學(xué)溫度。體、液體和氣體3種物態(tài)中進行。氣體導(dǎo)熱是由氣體分子不規(guī)則運動時相互碰撞的結(jié)果。金屬導(dǎo)體中5結(jié)束語的導(dǎo)熱主要靠自由電子的運動來完成。非導(dǎo)電固體中的導(dǎo)熱是通過晶格結(jié)構(gòu)的振動實現(xiàn)的。液體中的綜上所述,在設(shè)計和應(yīng)用電子工藝設(shè)備時,應(yīng)熟導(dǎo)熱機理主要靠彈性波的作用。悉和掌握與熱設(shè)計相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn);確定可以利用的冷導(dǎo)熱基本定律是傅里葉定律:在純導(dǎo)熱中單位時卻技術(shù)和限制條件;對每個電子元器件進行應(yīng)力分間內(nèi)通過給定而積的熱流量,正比于該地垂直于導(dǎo)析,并根據(jù)設(shè)備可靠性及分配給每個元器件的失效熱方向的截面面積及其溫度變化率。其計算公式為:率確定每個元器件的最高使用溫度。另外,熱設(shè)計φ=-AA2)的同時還應(yīng)考慮可靠性、安全性維修性及電磁兼容性設(shè)計,這就可大大提高電子工藝設(shè)備的可靠性。式中:φ為熱流量;λ為導(dǎo)熱系數(shù);參考文獻A為傳熱面積-為x方向的溫度變化率[]劉玉嶺,檀柏梅張楷亮微電子技術(shù)工程一材料、工藝與測試[M]北京:電子工業(yè)出版社,200410負號表示熱量傳遞的方向與溫度梯度的方向相反。(2]削詩唐,錢祖權(quán),華泉寶電子工藝設(shè)備可靠性講義M河北:電子工業(yè)部元器件管理局,19854.2對流3]國科學(xué)技術(shù)T業(yè)員會編由子設(shè)備可華性熱設(shè)計對流是指流體各部分之間發(fā)生相對位移吋所中國煤化工行部,19210引起的熱量傳遞過程。對流僅發(fā)生在流體中,且必[4]CNMHO科學(xué)原理與T程技術(shù)然伴隨著有導(dǎo)熱現(xiàn)象。流體流過某物體表面時所發(fā)M]北京:電子工業(yè)出版社,20068(總第153期)DA207