電子元器件可靠性溫度控制方法探討

張豐華　田灃　張婭妮　周堯

摘 要：本文首先從溫度對(duì)可靠性的影響入手，簡(jiǎn)述了元器件可靠性溫度與冷卻系統(tǒng)的關(guān)系，通過(guò)降額設(shè)計(jì)來(lái)確定元器件的工作溫度;其次，對(duì)可靠性溫度控制方法進(jìn)行了探討，元器件的溫度控制應(yīng)從電路參數(shù)設(shè)計(jì)開始，合理確定元器件的功耗，運(yùn)用可靠性仿真對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化迭代;最后，對(duì)電子元器件可靠性設(shè)計(jì)流程和發(fā)展方向提出了總結(jié)和展望。

關(guān)鍵詞：元器件;可靠性;溫度控制

電子設(shè)備在實(shí)際使用中會(huì)受到各種環(huán)境的影響，特別是軍用電子設(shè)備的使用環(huán)境更加惡劣，如氣候環(huán)境、溫度環(huán)境、機(jī)械應(yīng)力環(huán)境、電磁環(huán)境等等。這些外界環(huán)境因素會(huì)產(chǎn)生各種應(yīng)力來(lái)影響電子設(shè)備的功能和性能，同時(shí)也會(huì)對(duì)組成電子設(shè)備的電子元器件的可靠性產(chǎn)生重要的影響，影響電子元器件可靠性的因素主要有：電應(yīng)力、溫度應(yīng)力、機(jī)械應(yīng)力、時(shí)間應(yīng)力等。據(jù)資料介紹，超過(guò)55%的電子設(shè)備的失效形式是由溫度過(guò)高引起的。[1]因此，對(duì)電子元器件的溫度進(jìn)行控制，提高可靠性顯得尤為重要。

1 可靠性與溫度的關(guān)系

溫度對(duì)電子元器件可靠性的影響一是元器件結(jié)溫超過(guò)允許溫度，造成失效。二是由于組成元器件材料的熱膨脹系數(shù)不同，元器件在受熱膨脹或冷卻收縮時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力，這種熱應(yīng)力會(huì)使金屬化的陶瓷基板和熱沉產(chǎn)生變形或開裂。元器件工作時(shí)承受的熱應(yīng)力越高失效率越高。因此，元器件的可靠性與溫度有著直接的關(guān)系。元器件的失效率可以由以下Arrhenius方程表示。

F=Ae-Ea/KT

式中：F─失效率;

A─常數(shù);

Ea─激活能（電子伏eV），經(jīng)驗(yàn)值，根據(jù)失效機(jī)理確定;

K─玻爾茲曼常數(shù)（8.63×10-5eV/K）;

T─結(jié)溫（K）。

上式的物理意義是，不同的失效機(jī)理所產(chǎn)生的失效用激活能這樣一個(gè)參數(shù)來(lái)表達(dá)，但是，一個(gè)電子元器件可能同時(shí)存在一種或多種失效機(jī)理。因此，激活能是一個(gè)耦合的參數(shù)，工程上依據(jù)試驗(yàn)積累，一般選擇0.65作為經(jīng)驗(yàn)值。在此經(jīng)驗(yàn)值的前提下，溫度每升高10℃，失效率增大1倍。

2 元器件工作溫度確定

從元器件的角度來(lái)講，溫度越低可靠性越高，但到一定的程度可靠性的提高將會(huì)變緩。從系統(tǒng)的角度，元器件的工作溫度越高，冷卻系統(tǒng)體積、重量、成本會(huì)更低。因此，如何科學(xué)地確定元器件的工作溫度，需要綜合考慮各方面的因素。一般情況下，應(yīng)當(dāng)根據(jù)使用環(huán)境和系統(tǒng)要求對(duì)元器件進(jìn)行降額設(shè)計(jì)，使得元器件的工作溫度在滿足可靠性要求的前提下盡量高，降低對(duì)冷卻系統(tǒng)的要求。

降額設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)首先根據(jù)設(shè)備應(yīng)用平臺(tái)和可靠性要求確定降額等級(jí)，降額有一個(gè)最佳范圍，此時(shí)應(yīng)力的降低對(duì)失效率有明顯的降低。然后，根據(jù)元器件類型確定降額參數(shù)，集成電路的降額參數(shù)主要有電源電壓、輸入電壓、輸出電流、功率、最高結(jié)溫等。對(duì)于大規(guī)模集成電路來(lái)說(shuō)，主要是降低結(jié)溫。對(duì)于這些參數(shù)應(yīng)進(jìn)行綜合權(quán)衡，而不是孤立看待，另外，還要根據(jù)降額等級(jí)和降額參數(shù)確定降額因子，也就是確定元器件實(shí)際承受的應(yīng)力與額定應(yīng)力之比，作為元器件的選用依據(jù)。最后，還應(yīng)根據(jù)得到的降額后的電參數(shù)來(lái)計(jì)算相應(yīng)的結(jié)溫，此溫度值必須低于允許的最高結(jié)溫才能滿足溫度的降額要求。

3 溫度控制方法

電子元器件的溫度不僅與自身的電氣參數(shù)有關(guān)，還與其工作環(huán)境有著密切的關(guān)系。從設(shè)備的角度可采取的辦法，一是在進(jìn)行電路設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行降功耗設(shè)計(jì)，二是采取冷卻措施，將元器件控制在允許的溫度范圍內(nèi)。

電子元器件的典型功耗可用下式表示：

P=CV22f

式中：C─輸入電容（F）;

V─信號(hào)正負(fù)峰值間電壓擺動(dòng)（V）;

V─開關(guān)頻率（Hz）。

當(dāng)元器件選定后，C 和V值已經(jīng)確定，此時(shí)應(yīng)該根據(jù)需要盡量選擇較低的工作頻率。

當(dāng)完成電氣設(shè)計(jì)，元器件選定后，其所能承受的最高溫度也已明確。另外一項(xiàng)重要的工作就是采取熱管理措施控制元器件的溫度。熱分析的基本方法主要有試驗(yàn)、類比和仿真分析。試驗(yàn)方法能夠準(zhǔn)確得到設(shè)備內(nèi)部溫度分布，但要有實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，若存在問(wèn)題，需要對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行更改并重新制造樣機(jī)。類比方法操作方便、簡(jiǎn)單易行，但是新研發(fā)的產(chǎn)品沒有類比的基礎(chǔ)，不能得出類比結(jié)果。仿真方法能夠在設(shè)計(jì)階段對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行熱分析，直觀地了解設(shè)備的溫度分布。

仿真分析的基礎(chǔ)是確定元器件的功耗，實(shí)際中，由于工作模式不同，元器件的功耗也會(huì)發(fā)生變化，不會(huì)在額定功耗下工作。一般整板的功耗可以測(cè)量，而單個(gè)元器件的功耗難以準(zhǔn)確獲得。目前普遍采用的辦法是估算法，電氣設(shè)計(jì)人員根據(jù)測(cè)得的整板功耗，結(jié)合電路設(shè)計(jì)情況、元器件工作模式以及類比來(lái)確定主要發(fā)熱元器件的功耗。熱仿真人員根據(jù)元器件熱模型和結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行仿真分析，分析結(jié)果滿足要求后再進(jìn)行詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。當(dāng)樣機(jī)生產(chǎn)完成后，還應(yīng)對(duì)主要發(fā)熱元器件進(jìn)行熱測(cè)試，驗(yàn)證仿真分析結(jié)論并對(duì)熱模型進(jìn)行修正，多次迭代后的熱模型的準(zhǔn)確性將會(huì)大大提高。

器件的功耗確定后，影響溫度控制的主要因素就是散熱措施。在滿足可靠性的基礎(chǔ)上應(yīng)盡量采取簡(jiǎn)單的散熱措施。自然散熱是最簡(jiǎn)單的措施，但散熱能力有限。采用風(fēng)冷時(shí)應(yīng)對(duì)換熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，提高對(duì)流換熱系數(shù)。若功耗很大，可采用液體冷卻、噴霧冷卻等方法，但也會(huì)使冷卻系統(tǒng)變得復(fù)雜，成本提高，必須慎重采用。除了嘗試將液體冷卻、噴霧冷卻系統(tǒng)小型化與器件集成外，更重要的是充分挖掘自然散熱、風(fēng)冷等傳統(tǒng)方法的潛力。

4 結(jié)論

元器件溫度控制對(duì)提高電子設(shè)備的可靠性具有重要的作用，其控制方法主要有以下幾點(diǎn)：a.根據(jù)使用環(huán)境選擇元器件;b.根據(jù)設(shè)備重要程度進(jìn)行降額設(shè)計(jì)，確定元器件工作溫度;c.在滿足設(shè)備要求的情況下，進(jìn)行降功耗設(shè)計(jì)，控制元器件的發(fā)熱量;d.初步設(shè)計(jì)冷卻系統(tǒng)，進(jìn)行熱仿真，得出關(guān)鍵元器件的溫度，并在樣機(jī)生產(chǎn)后進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證;e.對(duì)設(shè)備進(jìn)行綜合分析，選擇既能滿足可靠性要求，成本又最低的設(shè)計(jì)方案。

參考文獻(xiàn)：

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[4]Lasance C.Technical Data column，ElectronicsCooling，January 1997.