1、Q / ZX深圳市中興通訊股份有限公司企業標準(可靠性技術標準) Q/ZX 23.010 - 1999 電子產品組件可靠性熱設計指南1999-06-30 發布 1999-07-12 實施深圳市中興通訊股份有限公司 發 布前 言為指導電子產品組件可靠性熱設計，特編寫本標準。本標準由深圳市中興通訊股份有限公司質量企劃中心可靠性部提出，技術中心技術管理部歸口。本標準起草部門：質量企劃中心可靠性部。本標準起草人：趙黎。 本標準于1999年6月首次發布。 Q/ZX 23.010 - 1999 深圳市中興通訊股份有限公司企業標準 （可靠性技術標準）Q / ZX 23.010 -1999 電子產品組件可靠性

2、 熱設計指南1 范圍本標準規定了深圳市中興通訊股份有限公司熱設計通用要求、元器件應用的熱設計、電子組件電子模塊的熱設計、熱性能評價等。本標準適用于電子產品組件的可靠性熱設計、電子產品熱特性的測試和進行熱可靠性分析。本標準提供的熱設計方法，也可以指導技術人員進行功率電子元器件及熱敏元器件的熱設計和熱分析。本標準不包括電子產品的恒溫和加熱設計。 2 引用標準GB 2903 銅-銅鎳(康銅)熱電偶絲及分度表GB 7423.1 半導體器件散熱器 通用技術條件GB 7423.2 型材散熱器GB 7423.3 叉指型散熱器GJB /Z 27-92 電子設備可靠性熱設計手冊GJB /Z 299B-98 軍用

3、電子設備可靠性預計手冊3 術語3.1 熱環境 thermal environment設備或元器件周圍流體的種類、溫度、壓力及速度, 表面溫度、外形及黑度, 每個元器件周圍的傳熱通路等情況。3.2 熱特性 thermal characteristics設備或元器件的溫升隨熱環境變化的特性, 包括溫度、壓力和流量分布特征。3.3 熱流密度 thermal current density 單位面積的熱流量。3.4 熱阻 thermal resistance熱量在熱流路徑上遇到的阻力。3.5 內熱阻 internal resistance元器件內部發熱部位與表面某部位之間的熱阻。3.6 安裝熱阻 mo

4、unting thermal resistance 元器件與安裝表面之間的熱阻, 又叫界面熱阻。3.7 自然冷卻 natural cooling利用自然對流、傳導和輻射進行冷卻的方法。3.8 強迫冷卻 forced cooling利用外力迫使流體流過發熱器件進行冷卻的方法。3.9 溫度穩定 temperature steady溫度變化率不超過每小時2時, 稱為溫度穩定。3.10 紊流器 turbulator提高流體流動紊流程度并改善散熱效果的裝置。3.11 熱沉 ultimate sink是一個無限大的熱容器,其溫度不隨傳遞到它的熱能大小而變化。它也可能是大地、大氣、大體積的水或宇宙。又稱熱地

5、。4 熱設計通用要求4.1 熱設計基本要求 最高允許溫度與設備可靠性的要求以及分配給每一個元器件的失效率相一致。 熱設計應與其它設計 (電氣設計, 結構設計, 可靠性設計等) 同時進行, 當出現矛盾時, 應進行權衡分析, 折衷解決。不得損害電氣性能, 并符合可靠性要求, 使設備的壽命周期費用降至最低。 熱設計首先應控制自身發熱, 要求效率高, 功耗小。其次是有效的散熱, 使有源器件及線路損耗的熱量迅速散發。 在熱設計中, 熱流量、熱阻和溫度參數中, 溫度參數是衡量熱設計有效性的主要參數。 熱設計采用的冷卻方法要簡單而經濟, 并適用于特定的電子產品和環境條件, 同時滿足可靠性要求。為降低產品熱傳

6、遞通路上的熱阻, 采用多種冷卻方法,主要冷卻方法的選擇要根據熱流密度和溫升, 依照GJB/Z27中圖6-2進行。 當熱沉溫度較高, 熱源與熱沉之間溫差較小, 采用低熱阻通路, 難以滿足散熱要求時, 設法改造外部環境, 降低熱沉溫度。 熱設計中允許有較大的誤差。4.2 熱設計步驟依照定性設計原則進行, 以下步驟視需要合理取舍：a) 熟悉掌握有關標準規范, 確定設備 (或元器件) 的散熱面積、散熱器或周圍空氣的極值環境溫度范圍。b) 確定采用自然冷卻還是強迫風冷。c) 對少量關鍵發熱元器件進行應力分析, 確定其最高允許溫度和功耗, 并對其失效率加以分析。d) 按器件和設備的組裝形式, 計算熱流密度

7、。e) 由器件內熱阻 (查器件手冊) 確定其最高表面溫度。f) 確定器件表面到散熱器或空氣的總熱阻。g) 根據熱流密度等因素對熱阻進行分析與分配, 并對此加以評估。h) 確定是否需要改變冷卻技術和傳熱方法。i) 對不同冷卻方案估算成本,比較權衡, 同時在熱設計中應兼顧可靠性、安全性、維修性、EMC設計。注: 以上步驟中的計算方法和具體舉例見GJB/Z 27-92中第五部分熱設計方法。5 元器件應用的熱設計5.1 從熱性能出發選用元器件要求:a)元器件所用材料的導熱系數要高;b)內熱阻要小;c)耐熱性要好;d)結構形式要有利于散熱。5.2 半導體器件的散熱(或冷卻)器件生產廠應提供的熱特性參數包

8、括工作參數與溫度的關系曲線, 最高和最低貯藏溫度, 最高工作結溫及有關熱阻值。下面為器件自然冷卻的關系式: ( t-t )/ = R + R + R (1)式中t、t為器件結溫和環境溫度, R 、R 、R分別為內熱阻、界面熱阻和散熱器熱阻, 為器件功耗。t和R由相應手冊給出, 最高結溫t 取決于晶體管的結構工藝和材料,鍺管一般為80100,硅管一般為125200,考慮到器件應用的可靠性,t(0.50.8)t 。小功率晶體管通常采用自然對流冷卻的方法使其降溫,其內熱阻為0.22.5/W。管殼與集電極有電連接時, 安裝設計必須保證電絕緣。對某一特定的晶體管而言, 內熱阻是固定的。R 取決于電路設計

9、和熱設計技術,為減小管殼與散熱器之間的界面熱阻, 應選用導熱性能好的絕緣襯墊 (如導熱硅橡膠片、聚四氟乙烯、氧化鈹陶瓷片、云母片等等) 和導熱絕緣膠, 并增大接觸壓力。5.3 散熱器的選擇 散熱器選用原則 a) 根據器件功耗、環境溫度及允許最大結溫(保證t(0.50.8)t )來選擇合適的散熱器。 b) 器件與散熱器的接觸面應保持平整光潔,散熱器的安裝孔要去毛刺。 c) 器件與散熱器和絕緣片間的所有接觸面處應涂導熱膏或加導熱絕緣硅橡膠片。 d) 型材散熱器應使肋片沿其長度方向垂直安裝,以便于自然對流。 e) 散熱器應進行表面處理,以增強輻射換熱。 f) 應考慮體積、重量及成本的限制和要求。 散

10、熱器選擇方法 已知功率管的型號, 輸出電流, 電壓及環境溫度。 根據GB7423.1至GB7423.3選用標準散熱器。散熱器種類包括平板式、柱式、扇頂式、輻射肋片式、型材散熱器和叉指型散熱器等。扇頂型散熱器扇頂部分面積較大,散熱效果較好,適合小功率晶體管的散熱,其耗散功率范圍為0.52W。型材散熱器可根據需要截取長度,其熱阻不直接隨長度的增加而減少。有時安裝在機殼背后,既散熱,又起到骨架作用。叉指型散熱器的體積小、重量輕、散熱效果好, 交叉排列的指狀散熱片使對流和輻射散熱效果都比較理想。散熱器選擇示例見附錄C（提示的附錄）。 散熱器安裝界面要求 從5.2條中的熱傳導公式可以看出, 在器件內熱阻

11、、界面熱阻和散熱器熱阻一定情況下, 器件功耗直接影響結溫, 因此,熱設計的任務就是盡可能減小界面熱阻R和散熱器熱阻R。對器件與散熱器的接觸面進行光潔處理、適度增加接觸壓力、充分利用接觸面積、減少接觸面插入物質厚度和選用低熱阻率的導熱材料可以有效降低界面熱阻。使用導熱襯墊時還要考慮六個月以后的界面熱阻會有約20%的增加。5.4 集成電路的熱設計半導體集成電路熱設計要設法減小集成電路與散熱器表面之間的安裝界面的熱阻。對平面封裝和DIP元器件要盡量利用其引線的導熱。5.5 元器件自然對流換熱的簡化計算： 計算法:器件表面溫度或其散熱量按簡化公式(2)計算: = /A = 2.5Ct/D(2)式中:

12、熱流密度,W/m2; 熱流量,W;A 換熱面積, m2;C系數,由GJB/Z 27-92 中表5-1查得; t換熱表面與流體(空氣)的溫差,; D特征尺寸,m。見GJB/Z 27-92 中表5-1介紹。 注: 本算法適用于自然冷卻方法, 器件未加散熱器。 查圖法:根據已知器件 (或設備) 的形狀, 尺寸及位置, 可用GJB/Z 27-92中條介紹方法, 通過圖5-1的自然對流換熱計算列線圖, 在已知/A時求出t,反之一樣。6 電子組件的熱設計6.1 印制板組件的熱設計要求 進行印制板組件的熱設計首先要了解元器件的熱特性,如元器件的耗散功率,最高允許溫度,元器件的有效散熱面積等。 要了解設備、印

13、制板組件和元器件周圍的環境條件, 如周圍環境溫度、氣壓、冷卻劑入口溫度,流速等。 印制板組件的熱設計與電氣設計, 結構設計同時進行, 以便獲得熱阻最低的傳熱路徑方案。 PCB板的熱設計原則 在條件允許的情況下,選擇更厚一點的覆銅箔,可有效提高散熱性能。 PCB板散熱設計中,應盡可能采用大面積接地,大面積的銅箔能迅速向外散發PCB板的熱量。 對印制板上的接地安裝孔采用較大焊盤,不得小于安裝界面,以充分利用安裝螺栓和印制板兩側的銅箔進行散熱。6.2 印制板組件上電子元器件的熱安裝技術 印制板組件上電子元器件的布置原則 對溫度敏感的器件和不耐熱的器件,放在冷氣流的上游(入口端),發熱量大而且耐熱的器

14、件, 放在冷氣流的下游(出口端)。 在不影響電氣性能的前提下,電子元器件的布置,應盡量使熱量均勻分布,大規模集成電路應放在印制板組件的冷區域內。 垂直放置的自然散熱的印制板,電子元器件的安裝應盡量采用減小氣流阻力的安裝形式,盡量使整塊印制板上的氣流均勻流動,提高散熱效果。 小功率分立器件與印制板之間的間隙3 5mm,以利于自然對流散熱。功率較大的元器件,在器件與印制板之間填充導熱絕緣材料,如導熱硅橡膠等。 元器件的布置按其允許溫度進行分類,允許溫度較高的元器件放在允許溫度較低的元器件上方。 發熱量大的元器件盡可能靠近溫度低的表面(如金屬外殼的內表面,金屬底座及金屬支架等)安裝,并與表面之間有良

15、好的接觸熱傳導。 盡可能減小安裝界面及傳熱路徑上的熱阻。 電子元器件安裝熱應力設計要求:a) 軸向引線的圓柱形分立器件如電阻、二極管等,采用搭接時,引線長度應2.6m。b) 當印制電路板上電子元器件安裝密度較高時,器件引線事先加工成環形結構或一定的彎曲弧度。c) 大型矩形電子器件如變壓器、扼流圈要留有較大的應變量。d) 小功率晶體管允許在其底部留有一定的空隙,中大功率晶體管在其底部安裝散熱片或散熱器。e) 晶體管倒裝,引線有較大的彎曲弧度。f) 晶體管翻轉90安放在散熱塊上。g) 大功率集成元件, 在殼體下部加導熱條,導熱條的厚度應滿足散熱要求。h) 中小功率集成元件或元件殼體直接與印制電路板

16、或導熱條粘接,粘接劑的厚度控制在0.13 0.16mm。在小功率(0.2W以下)的集成元件下部留有小于0.3mm的氣隙。 熱敏元器件安裝原則 應放在設備的冷區(如底部),不能直接放在發熱元器件之上。7 電子模塊的熱設計7.1 電子模塊的散熱途徑:a) 與模塊形成一個整體的散熱片,靠強迫空氣對流帶走熱量;b) 通過模塊兩側導軌及緊固件導熱或強迫空氣對流帶走熱量。模塊熱設計是使模塊在上述任一傳熱路徑上的熱阻足夠低, 以保證元器件溫度不超過規定值, 將界面溫度即散熱片或導軌的表面溫度控制在060。注1 根據模塊內部要求進行設計,包括界面溫度、功耗和元器件的許用溫度等; 2 根據系統的環境、封裝、單個

17、或組合的模塊功耗等要求,對整個系統進行熱設計。7.2 模塊內部的熱設計 模塊處于最大功耗時及在其額定界面溫度下,使所有元器件的溫度低于元器件的臨界溫度(即比有關規范規定的額定值的100%低20的溫度)。 當散熱片和導軌溫度達到80(比最高界面溫度高20)時所有元器件的溫度應低于或等于元器件的瞬態臨界溫度。 在對模塊進行熱設計時,參考GJB/Z 27-92 第13.1條中的方法,利用熱電模擬進行分析計算,不考慮熱容量,只考慮熱阻。8 熱性能評價8.1 熱性能評價的目的在進行環境試驗和可靠性試驗之前,對組件及周圍環境進行熱測試和熱性能評價,熱性能評價的目的是為了確定熱設計與冷卻系統的合理性與有效性

18、。8.2 熱性能評價的內容與方法a) 通過草測或檢查設備中的各種元器件, 尤其是關鍵元器件的表面溫度或溫度分布。b) 分析熱設計所采用的冷卻方式是否為優選的方案。c) 分析與比較所采用的冷卻方式在規定的使用環境的空間限制的條件下, 它們的經濟效益指標 (如重量、尺寸、熱阻值大小、成本、可靠性等)。d) 采取定性分析與定量分析的辦法,評價熱性能。8.3 熱性能草測 草測指“快速而不精確”的測量, 其步驟是: a) 檢查仔細檢查組件中是否有過熱的現象。如電子元器件的變色、變黑、起泡、變形、漆起皺或變臟等現象。b) 確定關鍵元器件應根據可靠性要求,確定關鍵元器件及其耗熱量。具有最高熱應力的元器件表面

19、溫度,可作為設備的熱性能指標。可根據GJB/Z 299B來確定關鍵元器件的最高安全工作溫度 。 c) 在規定環境條件和設備處于最大功耗的情況下,測量設備中關鍵元器件的表面溫度。8.4 熱性能檢查項目 參見附錄A（標準的附錄）。8.5 熱性能測量熱性能測量的目的是對熱設計的效果進行檢驗, 對冷卻系統的適用性和有效性進行評價, 除了檢查新設計的冷卻系統是否達到預定技術指標外, 還要對機架、集中發熱元器件、整機系統的熱性能參數進行測量,為熱設計提供技術數據。 熱測量的參數:a) 電子產品中的關鍵元器件、散熱器及其它冷卻裝置的表面溫度;b) 機架、系統內的溫度分布;c) 機架內或風道處的空氣流量和壓力

20、損失等。 溫度傳感器及溫度測量方法非接觸式溫度傳感器可采用紅外輻射測溫儀(測溫時應認真參閱使用說明,在有精度要求的場合下,應采取相應的溫度補償,具體方法見說明書中的溫度補償方法和發射率附表);接觸式溫度傳感器選擇見附錄B（標準的附錄）。 電子元器件的溫度測量a) 對晶體管進行測溫時, 應沿傳熱通路測量, 即測量與散熱器接觸的管座表面或其安裝螺栓上的溫度。b) 對小型發熱元器件 (如電阻), 因其表面溫度梯度較大, 較難確定某一點的溫度值, 只測某一區域的平均溫度。c) 對集成電路, 通常是測封裝外殼的平均溫度。附錄A(標準的附錄)熱性能檢查項目A1 冷卻系統的檢查項目對冷卻系統檢查時,應根據系

21、統的類型選擇檢查項目。A1.1 自然冷卻a) 是否使用最短的熱流通路?b) 是否利用金屬作為導熱通路?c) 電子元器件是否采用垂直安裝和交錯排列?d) 對熱敏感的器件是否與熱源隔離,當二者距離小于50mm時, 是否采用熱屏蔽罩?e) 對于發熱功率大于0.5W的元器件, 是否裝在金屬底座上或與散熱器之間設置良好的導熱通路?f) 熱源表面的黑度是否足夠大?g) 是否有供通風的百葉窗口?h) 對于密閉式熱源, 是否提供良好的導熱通路?A1.2 強迫空氣冷卻a) 流向發熱元器件的空氣是否經過冷卻過濾?b) 是否利用順流氣流來對發熱元器件進行冷卻?c) 氣流通道大小是否適當? 是否暢通無阻?d) 風機的

22、容量是否適當? 抽風或鼓風是否選擇適當?e) 空氣過濾器是否適當? 是否易于清洗和更換?f) 是否已對設備或系統中的氣流分布進行過測量?g) 關鍵的功率器件是否有適當的氣流流過?h) 是否測量過功率器件的臨界溫度?i) 是否測量過風機的噪聲?A2 電子元器件檢查項目電子元器件的電應力水平是否與設備可靠性要求相一致? 在電路設計中是否進行了降額設計?A2.1 半導體器件a) 對熱敏感的器件是否與高溫熱源隔離?b) 功率器件是否安裝有散熱器? 散熱器的安裝方式是否合理 (垂直于冷氣流方向) ? 散熱器的表面是否經過涂覆處理?c) 器件與散熱器的接觸面之間, 是否采取了減小接觸熱阻的措施?A2.2 電容器 電容器與熱源是否采取隔離或絕熱措施?A2.3 電阻器a) 功率大的電阻器是否采取了冷卻措施?b) 對功耗大的電阻器是否采用機械夾緊或封裝材料來提高它的導熱能力?c) 對電阻器的安裝, 是否采取了減小熱阻的措施 (如短引線, 與底座接觸良好等) ?A2.4 變壓器和電感器a) 是否為變壓器或電感器提供了良好的導熱通路?b) 是否將變壓器或電感器置于對流冷卻良好的位置? c) 對功耗較大的變壓器和電感器