電子工藝設備的熱設計

新技術(shù)應用子工業(yè)專(zhuān)用設蓄Equipment for Electronic Products ManufactPE電子工藝設備的熱設計王朝偉,衛兵(西安捷盛電子技術(shù)有限責任公司,陜西西安710119)摘要:介紹了電子工藝設備熱設計的基本要求、目的、傳熱的基本原則以及熱量傳遞的基本方式。關(guān)鍵詞:電子工藝設備;熱設計;熱環(huán)境;熱特性中圖分類(lèi)號:TN605文獻標識碼: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,電子工藝設備的可靠性?，F在電子元器件的集成度越來(lái)越高,功已不是單純的機械和電氣技術(shù)知識的結合,其工作率越來(lái)越大,單位體積產(chǎn)生的熱量越來(lái)越多,隨著(zhù)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(jìn)技術(shù)的綜合應用,電子工藝設備已成到很大的影響,換言之,電子工藝設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。因此熱設計是電子工藝設備可靠性方面,電子工業(yè)的生產(chǎn)日益向著(zhù)大批量生產(chǎn)的方向設計很重要的一部分內容。發(fā)展,對電子工藝設備又提出越來(lái)越高的自動(dòng)化程度和在生產(chǎn)運行中的穩定可靠的要求。電子產(chǎn)品,1熱設計及熱設計目的特別是電子元器件產(chǎn)品生產(chǎn),要靠電子工藝設備穩定可靠的正常運行來(lái)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備的可靠性問(wèn)題是一項具有相當的溫度,使整機內部溫度升降到所要求的范圍,以難度的高技術(shù)性問(wèn)題。電子工藝設備的基礎是電子提高設備抗溫度應力的能力。這種可靠性設計稱(chēng)為元器件,設備的可靠性在很大程度上取決于元器件熱設計中國煤化工收稿日期:200709-17CNMHG作者簡(jiǎn)介:王朝偉,男,助理工程師。主要從事半導體專(zhuān)用設備的開(kāi)發(fā)和應用工作,主管并參與了多項半導體工藝設備的研制生產(chǎn)60(總第153期)D200EPE|,電子工業(yè)專(zhuān)用設苗ment for Electronic Products Manufacturin新技術(shù)應用熱設計的目的是控制電子工藝設備內部所有放在機箱下部:發(fā)熱量大的耐溫能力強的部件應元器件的溫度,使其在設備所處壞境條件下不超過(guò)放在機箱上部,元器件與機箱之間的距離最好大于規定的最高允許溫度(最高允許溫度的計算應以元35~40mm,以利于空氣對流及散熱器件的應力分析為基礎,并且與設備可靠性的要求(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(gè)元器件的失效率相一致),保證件應盡量使它們避開(kāi)熱源。必要時(shí)可采用隔離法將電器性能穩定,避免或減少電參數的溫度漂移;降熱源隔開(kāi),甚至可在結構上分開(kāi),各自獨立成兩部分。低元器件的基本失效率,提高設備的平均無(wú)故障工作時(shí)間(MTBF):減緩機械零部件氧化、老化、疲勞22熱設計應滿(mǎn)足設備預期工作的熱環(huán)境的要求以及磨損等進(jìn)程,從而延長(cháng)整機的使用壽命電子工藝設備預期工作的熱環(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(yáng)或周?chē)渌矬w的輻射熱載荷;2.1熱設計應滿(mǎn)足設備可靠性的要求(4)可利用的熱沉狀況(包括:種類(lèi)、溫度、壓設備的輸入功率通過(guò)元器件轉換成熱能,并在力和濕度等);設備內部散發(fā)出來(lái),使設備內溫度升高。高溫對大(5)冷卻劑的種類(lèi)、溫度、壓力和允許的壓降多數元器件將產(chǎn)生嚴重的影響它會(huì )導致元器件的(對于有其它系統或設備提供冷卻劑進(jìn)行冷卻的設失效,進(jìn)而引起整個(gè)設備的失效。為了解決這個(gè)技備而言)。術(shù)問(wèn)題,通過(guò)熱設計的途徑,采取使發(fā)熱元器件散熱冷卻的措施來(lái)降低設備的溫升,從而保證設備的23熱設計應滿(mǎn)足對冷卻系統的限制要求可靠性。為此對熱設計方案應著(zhù)重考慮以下問(wèn)題(1)對供冷卻系統使用的電源的限制(交流或(1)熱設計方案要滿(mǎn)足元器件降額應用對設直流及功率);備內溫度的要求。因此一般電子工藝設備的機內溫(2)對強迫冷卻設備的振動(dòng)和噪音的限制;度應設法控制在45~65℃范圍以?xún)?對功率密度(3)對強迫空氣冷卻設備的空氣出口溫度的大一些的設備也不應超過(guò)50~70℃范圍限制;(2)整機的散熱冷卻方案應與設備的功率密(4)對冷卻系統的結構限制(包括安裝條件、度大小相適應。一般原則是當功率密度低于122kWm3密封、體積和重量等)。時(shí),可選擇自然冷卻方案;當超過(guò)122kWm3時(shí),應選擇強制風(fēng)冷卻方案;當超過(guò)43kW/m3時(shí),則3熱設計的基本問(wèn)題應選擇水冷卻方案(3)對發(fā)熱元器件采取散熱措施時(shí),要滿(mǎn)足其電子工藝設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化為熱而耗要求大于30℃N時(shí),可不必采用散熱措施;當對散掉。隨著(zhù)電子技術(shù)的發(fā)展電子元器件和設備日熱阻的要求在2~30℃w時(shí),可采用散熱器散熱:趨小型化,使得設備的體積功率密度大大增加。因當對熱阻的要求在005-2cw時(shí),則應采用軸此,對電子工藝設備必須配置冷卻系統(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)機箱設計方案要滿(mǎn)足設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箱結構通風(fēng)散熱良好,便于冷熱空氣交換,迅速散發(fā)機內所產(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(zhù)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)應用甲工皿有用設面。EPE2個(gè)基本規律是:熱量從高溫區流向低溫區;高溫生的熱交換過(guò)程,稱(chēng)為對流換熱。由流體冷熱各部區發(fā)出的熱量必定等于低溫區吸收的熱量。分的密度不同所引起的對流稱(chēng)為自然對流。若流體熱量的傳遞過(guò)程可區分為穩定過(guò)程和不穩定的運動(dòng)由外力(泵、風(fēng)機等)引起,則稱(chēng)為強迫對流。過(guò)程兩大類(lèi):凡是物體中各點(diǎn)溫度不隨時(shí)間而變化對流換熱可用牛頓冷卻公式計算:的熱傳遞過(guò)程稱(chēng)為穩定熱傳遞過(guò)程:反之稱(chēng)為不穩φ=hA(tu-t)定過(guò)程。式中:h。為對流換熱系數: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(guò)程稱(chēng)為熱輻熱量的傳遞有3種基本方式:導熱、對流和輻射。輻射能在真空中傳遞能量,且有能量形式的轉射。它們可以單獨出現,也可能2種或3種形式同換,即熱能轉換為輻射能及從輻射能轉換成熱能。時(shí)出現。任何物體的輻射能力表示為:φ=cAoT4(4)4.1導熱式中:E物體的黑度利用熱傳導系數較大的材料作熱導體,將熱量A輻射表面積由高溫端傳到低溫端。因物體的導熱是由分子、原σ斯蒂芬一玻爾茲常數567×103w(m2…K4)子或自由電子相互碰撞所引起,所以導熱可以在固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(jìn)行。氣體導熱是由氣體分子不規則運動(dòng)時(shí)相互碰撞的結果。金屬導體中5結束語(yǔ)的導熱主要靠自由電子的運動(dòng)來(lái)完成。非導電固體中的導熱是通過(guò)晶格結構的振動(dòng)實(shí)現的。液體中的綜上所述,在設計和應用電子工藝設備時(shí),應熟導熱機理主要靠彈性波的作用。悉和掌握與熱設計相關(guān)的標準;確定可以利用的冷導熱基本定律是傅里葉定律:在純導熱中單位時(shí)卻技術(shù)和限制條件;對每個(gè)電子元器件進(jìn)行應力分間內通過(guò)給定而積的熱流量,正比于該地垂直于導析,并根據設備可靠性及分配給每個(gè)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(gè)元器件的最高使用溫度。另外,熱設計φ=-AA2)的同時(shí)還應考慮可靠性、安全性維修性及電磁兼容性設計,這就可大大提高電子工藝設備的可靠性。式中:φ為熱流量;λ為導熱系數;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(shī)唐,錢(qián)祖權,華泉寶電子工藝設備可靠性講義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(huì )編由子設備可華性熱設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(guò)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(zhù)有導熱現象。流體流過(guò)某物體表面時(shí)所發(fā)M]北京:電子工業(yè)出版社,20068(總第153期)DA207