電子元件散熱問(wèn)題的實(shí)驗(yàn)研究

王鳳輝，孫元，李楚橋，郎明志，李跟寶

（長(zhǎng)安大學(xué)汽車學(xué)院，陜西 西安 710064）

電子元件散熱問(wèn)題的實(shí)驗(yàn)研究

王鳳輝，孫元，李楚橋，郎明志，李跟寶

（長(zhǎng)安大學(xué)汽車學(xué)院，陜西 西安 710064）

隨著科技的發(fā)展，電子產(chǎn)品的功率密度越來(lái)越大，設(shè)備的工作溫度也隨之越來(lái)越高，熱安全性問(wèn)題日益凸顯。文章利用紅外熱像測(cè)溫技術(shù)，對(duì)某智能手機(jī)進(jìn)行了各種實(shí)驗(yàn)工況的測(cè)試，在圖像采集模式下獲取了智能手機(jī)散熱系統(tǒng)和電路系統(tǒng)的紅外熱像圖。通過(guò)對(duì)熱像圖的分析可以得到，石墨烯在電子元件散熱問(wèn)題中起到了非常重要的作用，其能夠有效的降低某智能手機(jī)發(fā)熱源的溫度。

智能手機(jī)；石墨烯；散熱；紅外熱像儀

CLC NO.:TK3 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)15-109-02

引言

隨著現(xiàn)代電子元件對(duì)可靠性要求、性能指標(biāo)、功率密度等進(jìn)一步的提高，電子元件的熱設(shè)計(jì)也越來(lái)越重要。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)記載，電子設(shè)備的失效率有55%是由于溫度超過(guò)電子元件的規(guī)定值引起的。溫度對(duì)各類元件的性能影響是不同的，在常見(jiàn)的元件中，溫度對(duì)半導(dǎo)體的影響最大。電子設(shè)備中大量運(yùn)用電子元件如集成運(yùn)放、TTL邏輯芯片、各種電源穩(wěn)壓芯片等，其基本組成單元是P-N結(jié)，對(duì)溫度的變化非常敏感。P-N結(jié)的性能—溫度函數(shù)關(guān)系式

式中：ICO—溫度為T℃時(shí)的反向漏電流

ICOR—溫度為TR℃時(shí)的的反向漏電流

由（1）式可以看出，溫度每升高10℃，ICO將會(huì)增加一倍。這種隨溫度的變化，將會(huì)直接導(dǎo)致運(yùn)放工作點(diǎn)發(fā)生漂移，晶體管的放大系數(shù)β發(fā)生變化并造成運(yùn)放增益不穩(wěn)定。所以要選擇合理的散熱和冷卻方式，設(shè)計(jì)有效的散熱系統(tǒng)，把電子元件的溫度控制在規(guī)定的溫度值之下，在熱源至外部環(huán)境提供一條低熱阻通道，確保熱量能夠順利的散發(fā)出去。本文就韓國(guó)藍(lán)鳥(niǎo)手機(jī)（運(yùn)行時(shí)溫度過(guò)高）作為實(shí)驗(yàn)主體，對(duì)其進(jìn)行散熱實(shí)驗(yàn)。

1 實(shí)驗(yàn)的建立

本實(shí)驗(yàn)的目的是基于人們對(duì)手機(jī)使用的安全性及舒適度，而韓國(guó)藍(lán)鳥(niǎo)這款手機(jī)在通話30分鐘以上、攝影、充電、電量低于50%的時(shí)候，智能手機(jī)的工作溫度高于出廠規(guī)定的溫度，這對(duì)用戶的使用安全性及舒適度大打折扣，故設(shè)計(jì)以下實(shí)驗(yàn)裝置，測(cè)量并采用貼石墨烯的方法降低智能手機(jī)工作時(shí)的溫度。

實(shí)驗(yàn)工具主要包括紅外攝像儀，其型號(hào)是FLUCK T25，其主要用于測(cè)量只能手機(jī)發(fā)熱源的紅外圖像，并且通過(guò)圖像可以得到熱源的溫度分布情況。溫度計(jì)用于測(cè)量室溫，保證整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程室溫保持在±1℃的波動(dòng)范圍之內(nèi)，使實(shí)驗(yàn)的測(cè)量結(jié)果更加穩(wěn)定，偏差更小。云臺(tái)主要是其支撐固定紅外熱像儀的作用。支撐板主要用于固定手機(jī)的位置，以免在測(cè)量過(guò)程中移動(dòng)，還可以固定測(cè)量距離、測(cè)量位置，使得測(cè)量結(jié)果更加準(zhǔn)確。

圖1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)架Fig,1 The experimental bench

根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康募耙笤O(shè)置以下四種實(shí)驗(yàn)工況：①不貼石墨烯散熱材料；②在手機(jī)后蓋上貼石墨烯散熱材料；③在只能手機(jī)屏蔽罩上貼石墨烯散熱材料；④在智能手機(jī)后蓋及屏蔽罩上貼石墨烯散熱材料。（本次實(shí)驗(yàn)所用的石墨烯厚度為20μm，背面采用8μm的雙面膠來(lái)給其背膠）并且每一種工況都在以下七種負(fù)荷進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，分別是：低電量、低電量＋游戲、低電量＋攝影、充電、充電＋游戲、充電＋攝影、攝影。

實(shí)驗(yàn)方法是將未貼石墨烯的手機(jī)運(yùn)行一段時(shí)間后（智能手機(jī)的工作溫度基本上達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)），采用紅外熱像儀測(cè)其發(fā)熱源溫度；然后等手機(jī)冷卻后貼附上石墨烯，并以相同的條件運(yùn)行手機(jī)，相同的時(shí)間后采用紅外熱像儀拍攝發(fā)熱源溫度。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求及實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并得到了各個(gè)工況下各種負(fù)荷的智能手機(jī)發(fā)熱源的最高溫度值，如表1所示：

由圖2 可以看出，智能手機(jī)貼了石墨烯散熱材料后，最高溫度值有了明顯的下降，這說(shuō)明石墨烯散熱材料能夠很快的將發(fā)熱源產(chǎn)生的熱量迅速的傳送到周圍溫度較低的區(qū)域，這也體現(xiàn)出了其水平方向有很大傳熱系數(shù)的特點(diǎn)。不論是將石墨烯散熱材料貼在智能手機(jī)后蓋還是屏蔽罩上，兩者之間沒(méi)有明顯區(qū)別，也就是說(shuō)石墨烯貼的位置對(duì)其散熱沒(méi)有影響。但是當(dāng)給智能手機(jī)貼兩片散熱材料時(shí)，很明顯能看出比貼一片的散熱效果要好，這是因?yàn)槭謾C(jī)后蓋與屏蔽罩之間有一定間隙，空氣的導(dǎo)熱系數(shù)很小，不能把發(fā)熱源產(chǎn)生的熱量迅速的傳送到周圍溫度較低的區(qū)域。

表1 各工況下的溫度最高值Table1 Under the condition of the maximum temperature

根據(jù)上表做出做出其柱狀圖，如圖2 所示：

圖2 各工況最高溫度分布圖Fig.2 The highest temperature distribution condition

3 結(jié)論

（1）給智能手機(jī)貼了石墨烯后，最高溫度值有明顯的降低，這是由于石墨烯在水平方向有很大的導(dǎo)熱率（1000-5000 W/(m2.k)），將發(fā)熱源產(chǎn)生的熱量迅速的傳送到周圍溫度較低的區(qū)域；

（2）最高溫度的降低是因?yàn)閷⒏邷貐^(qū)域的溫度傳送到低溫區(qū)域，這樣使得電子元件表面的溫度趨于均勻化，可大大的減少由于發(fā)熱引起的熱應(yīng)力，可以有效的防止電子元件的熱變形，提高了電子設(shè)備的使用壽命；

（3）貼兩片的散熱效果明顯比貼一片好，由于空氣的導(dǎo)熱系數(shù)太小，不利于散熱，最好使用厚的石墨烯散熱材料，使得智能手機(jī)的后蓋與屏蔽罩有充分的接觸，以提高散熱效率。

[1] 馮林敏.氧化石墨烯制備石墨膜及其導(dǎo)熱性能研究[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué),2015.

[2] 佚名.上海大學(xué)石墨烯散熱研究獲進(jìn)展[J].新材料產(chǎn)業(yè),2015(7).

[3] 佚名. 奧地利微電子推出有助于智能手機(jī)和平板電腦處理器散熱的新款電源管理IC[J].中國(guó)集成電路, 2013(6):174-174.

[4] 李建偉.智能手機(jī)用戶體驗(yàn)評(píng)測(cè)系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)[D]. 北京郵電大學(xué), 2014.

[5] 徐興浪.大功率LED燈具主動(dòng)散熱裝置研究[D]. 華中科技大學(xué), 2009.

Experimental research on heat dissipation of electronic components

Wang Fenghui, Sun Yuan, Li Chuqiao, Lang Mingzhi, Li Genbao
( Automobile Institute, Chang'an University, Shaanxi Xi'an 710064 )

With the development of science and technology, the power density of electronic products is becoming larger and larger, the working temperature of the equipment is higher and higher, thermal security issues have become increasingly prominent. In this paper, experiments were conducted to get the infrared thermography of the intelligent mobile phone radiation system and circuit system in image acquisition mode by using the infrared temperature measurement technology. Through the analysis of the thermal images, graphene has played a very important role in the problem of heat dissipation of electronic components, which can reduce the heat source temperature of the smart mobile phone effectively.

smart mobile phone; Graphene; heat dissipation; the infrared thermography

A

1671-7988 (2017)15-109-02

王鳳輝（1992-）男，碩士研究生，就讀于長(zhǎng)安大學(xué)汽車學(xué)院，主要研究新能源汽車。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.15.040