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作者:江志宏

热传导专区

热导率(heat conductivity、thermal conductivity)
是一个物质的导热性能,在同一物质内从高温处传到低温处。
也称做:导热性、导热度、热导率、热传系数、传热性、传热度、导热系数、热传导系数、热传导度。


热导率公式(thermal conductivity)

k = (Q/t) *L/(A*T)
k:热导率、Q:热量、 t:时间、L:长度、A:面积、T:温度差
在SI单位,热导率的单位是 W/(m*K),在英制单位,是Btu.ft/(h.ft2.°F)

热传导系数(heat transfer coefficient)
在热力学、机械工程与化学工程中,热传导系数是用来计算热传导的,主要是对流的热传导或流体与固体之间相态变换的热传导,其定义为在单位温差下﹐单位时间通过单位面积单位距离的热量﹐称为该物质之热传导系数﹐若以厚度L之物质量测﹐则量测值要乘以L﹐所得之值是为热传导系数﹐通常记成k。
热传导系数的单位换算
1 (cal) = 4.186(j), 1 (cal/s) = 4.186( j / s) = 4.186 (W)。

在温度27℃(300'K)的热传导系数k值: 在温度20℃的热传导系数k值:

金属特性比较表:

高温对电子产品的影响:
温度升高会造成电阻的阻值降低,也会缩短电容的使用寿命,另外高温会造成变压器、相关绝缘材料的性能下降,温度过高还会造成PCB板上的焊点合金结构的变化:IMC增厚、焊点变脆、锡须增长、机械强度降低,结温的升高会使晶体管的电流放大倍数迅速增加,导致集电极电流增加,又使结温进一步升高,最终导致组件失效。

专有名词解释:
Junction Temperature (结温):电子设备中半导体的实际温度。在操作中,它通常较封装外壳温度(Case Temperature)高,温度差等于其间的热流乘以热阻。
Free convection (自然对流) :
Radiation (辐热):
Forced Air(气冷):
Forced Liquid (气冷):
Liquid Evaporation(气化) :
Surface(表面)
Surroundings(周温、环境温度)

热传导公式:

热设计常用的简单注意事项:

1

应善用热传导、自然对流和辐射等简单、可靠的冷却方式,除了降低成本也减少故障。

2

尽可能缩短传热路径,并且增大热交换面积。

3

元器件安装时,要充分考虑周边元器件辐射热交换的影响,热敏器件应远离热源或想办法采用热屏蔽的保护措施,将元器件与热源进行隔离。

4

进气口和排气口之间应有足够距离,要避免热风回流。

5

进入的空气与排出的空气之间的温差应小于14℃。

6

应注意强迫通风与自然通风的方向尽量一致。

7

发热量大的器件应尽可能靠近容易散热的表面(如金属机壳的内表面,金属底座及金属支架等)安装,并与表面之间有良好的接触热传导。

8

电源部分的大功率管和整流桥堆属于发热大的器件,最好直接安装在机壳上,以加大散热面积。在印制板的布局中,功率较大的晶体管周围的板面上应留有更多的敷铜层,以提高底板的散热能力。

9

使用自由对流时,避免使用太密的散热片。

10

进行热设计时应该考虑确保导线的载流容量,所选用电线的直径必须适合电流的传导,而不致引起超过允许的温升与压降。

11

如果发热分布均匀,元器件的间距应均匀,以使风均匀流过每一个发热源。

12

使用强迫对流冷却时(风扇),将对温度敏感的原件放在最接近进风口的位置。

13

利用自由对流冷却的装备,避免将其它零件安排在高功率消耗件的上方,正确的作法应该是参差水平排列。

14

如果发热分布不均匀,在发热量大的区域元器件应稀疏排列,而发热量小的区域元器件布局应稍密些,或加导流条,以使风能有效的流到关键发热器件。

15

进风口的结构设计原则:一方面尽量使其对气流的阻力最小,另一方面要考虑防尘,需综合考虑二者的影响。

16

功率消耗件间尽可能有最大的间隔。

17

避免将温度敏感件彼此挤在一起,或安排在高功率消耗件或热点旁边。

18

利用自由对流冷却的装备,避免将其它零件安排在高功率消耗件的上方,正确的作法应该是参差水平排列。

C(集成电路)在PCB(印刷电路板)上的排列方式对其温升的影响:
图中给设计了大规模集成电路(LSI)和小规模集成电路(SSI)混合安装情况下的两种排列方式,LSI的功耗爲1.5W,SSI的功耗爲0.3W。实测结果表明,图中所示方式使LSI的温升达50℃,而图中辐射导致的LSI的温升爲40℃,显然采纳b案例的方式对降低LSI的失效率更爲有利。



集成电路的排列方式对其温升的影响一例
(a)器件温升18~50℃;(b) 器件温升23~40℃

与温度有关的加速寿命试验:
当讨论産品使用寿命时,一般都会采用"θ10℃法则"的表达方式。简单的说可称爲"10℃法则"等,当环境周围温度上升10℃时,産品寿命就会相对的减少一半,当环境周围温度上升20℃时,産品寿命就会减少到四分之一。这种规则可以说明温度是如何影响産品寿命(失效)的。
相对的也可以利用提高试验温度,来加速失效现象发生,进行各种加速寿命的老化试验。
Arrhenius模型被广泛地应用于与温度应力有关的应力加速寿命老化试验中。
以下为Arrhenius加速寿命模型:


A :常数
Ea:活化能(ev)
R :Boltzmann常数8.6159×10-5(ev/°K)
T :绝对温度(°K) = 273.15 + 摄氏温度t℃
t :摄氏温度(℃)
T0:临界温度(°K)
Ta:试验温度(°K)
L1:在Ta(°K)试验温度下的寿命(小时)
L2:在T0(°K)临界温度下的寿命(小时)

空气冷却风速与温度关系:

通电及冷却的温度变化示意图:
 

自然对流试验机
.提供最佳分布均匀性。
.结合数字式数据收集器,有效量测待测品之表面温度。
.记录超过20轨的温度数据(试验炉内部温度分布、待测品多轨温度、平均温度..等)
.控制器可直接显示多轨温度纪录。
.多轨试验曲线可透过控制器储存于USB随身碟
.曲线分析软件可直觉式显示多轨温度曲线并输出EXCEL报表。
.热电偶温度传感器选择(B、E、J、K、N、R、S、T)。
.提高升温速率&控制稳定规划。

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