手机组件散热类可靠性.docx
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手机组件散热类可靠性
Q/ZX
深圳市中兴通讯股份有限公司企业标准
（可靠性技术标准）
1999-06-30发布1999-07-12实施
深圳市中兴通讯股份有限公司发布
前言
为指导电子产品组件可靠性热设计，特编写本标准。
本标准由深圳市中兴通讯股份有限公司质量企划中心可靠性部提出，技术中心技术管理部归口。
本标准起草部门：
质量企划中心可靠性部。
本标准起草人：
赵黎。
本标准于1999年6月首次发布。
深圳市中兴通讯股份有限公司企业标准
（可靠性技术标准）
电子产品组件可靠性
热设计指南
1范围
本标准规定了深圳市中兴通讯股份有限公司热设计通用要求、元器件应用的热设计、电子组件电子模块的热设计、热性能评价等。
本标准适用于电子产品组件的可靠性热设计、电子产品热特性的测试和进行热可靠性分析。
本标准提供的热设计方法，也可以指导技术人员进行功率电子元器件及热敏元器件的热设计和热分析。
本标准不包括电子产品的恒温和加热设计。
2引用标准
GB2903铜-铜镍（康铜）热电偶丝及分度表
GB7423.1半导体器件散热器通用技术条件
GB7423.2型材散热器
GB7423.3叉指型散热器
GJB/Z27-92电子设备可靠性热设计手册
GJB/Z299B-98军用电子设备可靠性预计手册
3术语
3.1热环境thermalenvironment
设备或元器件周围流体的种类、温度、压力及速度,表面温度、外形及黑度,每个元器件周围的传热通路等情况。
3.2热特性thermalcharacteristics
设备或元器件的温升随热环境变化的特性,包括温度、压力和流量分布特征。
3.3热流密度thermalcurrentdensity
单位面积的热流量。
3.4热阻thermalresistance
热量在热流路径上遇到的阻力。
3.5内热阻internalresistance
元器件内部发热部位与表面某部位之间的热阻。
3.6安装热阻mountingthermalresistance
元器件与安装表面之间的热阻,又叫界面热阻。
3.7自然冷却naturalcooling
利用自然对流、传导和辐射进行冷却的方法。
3.8强迫冷却forcedcooling
利用外力迫使流体流过发热器件进行冷却的方法。
3.9温度稳定temperaturesteady
温度变化率不超过每小时2℃时,称为温度稳定。
3.10紊流器turbulator
提高流体流动紊流程度并改善散热效果的装置。
3.11热沉ultimatesink
是一个无限大的热容器,其温度不随传递到它的热能大小而变化。
它也可能是大地、大气、大体积的水或宇宙。
又称热地。
4热设计通用要求
4.1热设计基本要求
4.1.1最高允许温度与设备可靠性的要求以及分配给每一个元器件的失效率相一致。
4.1.2热设计应与其它设计（电气设计,结构设计,可靠性设计等）同时进行,当出现矛盾时,应进行权衡分析,折衷解决。
不得损害电气性能,并符合可靠性要求,使设备的寿命周期费用降至最低。
4.1.3热设计首先应控制自身发热,要求效率高,功耗小。
其次是有效的散热,使有源器件及线路损耗的热量迅速散发。
4.1.4在热设计中,热流量、热阻和温度参数中,温度参数是衡量热设计有效性的主要参数。
4.1.5热设计采用的冷却方法要简单而经济,并适用于特定的电子产品和环境条件,同时满足可靠性要求。
为降低产品热传递通路上的热阻,采用多种冷却方法,主要冷却方法的选择要根据热流密度和温升,依照GJB/Z27中图6-2进行。
4.1.6当热沉温度较高,热源与热沉之间温差较小,采用低热阻通路,难以满足散热要求时,设法改造外部环境,降低热沉温度。
4.1.7热设计中允许有较大的误差。
4.2热设计步骤
依照定性设计原则进行,以下步骤视需要合理取舍：
a）熟悉掌握有关标准规范,确定设备（或元器件）的散热面积、散热器或周围空气的极值环境温度范围。
b）确定采用自然冷却还是强迫风冷。
c）对少量关键发热元器件进行应力分析,确定其最高允许温度和功耗,并对其失效率加以分析。
d）按器件和设备的组装形式,计算热流密度。
e）由器件内热阻（查器件手册）确定其最高表面温度。
f）确定器件表面到散热器或空气的总热阻。
g）根据热流密度等因素对热阻进行分析与分配,并对此加以评估。
h）确定是否需要改变冷却技术和传热方法。
i）对不同冷却方案估算成本,比较权衡,同时在热设计中应兼顾可靠性、安全性、维修性、EMC设计。
注:
以上步骤中的计算方法和具体举例见GJB/Z27-92中第五部分—热设计方法。
5元器件应用的热设计
5.1从热性能出发选用元器件要求:
a）元器件所用材料的导热系数要高;
b）内热阻要小;
c）耐热性要好;
d）结构形式要有利于散热。
5.2半导体器件的散热（或冷却）
器件生产厂应提供的热特性参数包括工作参数与温度的关系曲线,最高和最低贮藏温度,最高工作结温及有关热阻值。
下面为器件自然冷却的关系式:
（t
-t
）/Ф=R
+R
+R
┄┄┄┄┄┄
（1）
式中t
、t
为器件结温和环境温度,R
、R
、R
分别为内热阻、界面热阻和散热器热阻,Ф为器件功耗。
t
和R
由相应手册给出,最高结温t
取决于晶体管的结构工艺和材料,锗管一般为80～100℃,硅管一般为125～200℃,考虑到器件应用的可靠性,t
≤（0.5～0.8）t
。
小功率晶体管通常采用自然对流冷却的方法使其降温,其内热阻为0.2～2.5℃/W。
管壳与集电极有电连接时,安装设计必须保证电绝缘。
对某一特定的晶体管而言,内热阻是固定的。
R
取决于电路设计和热设计技术,为减小管壳与散热器之间的界面热阻,应选用导热性能好的绝缘衬垫（如导热硅橡胶片、聚四氟乙烯、氧化铍陶瓷片、云母片等等）和导热绝缘胶,并增大接触压力。
5.3散热器的选择
5.3.1散热器选用原则
a）根据器件功耗、环境温度及允许最大结温（保证t
≤（0.5～0.8）t
）来选择合适的散热器。
b）器件与散热器的接触面应保持平整光洁,散热器的安装孔要去毛刺。
c）器件与散热器和绝缘片间的所有接触面处应涂导热膏或加导热绝缘硅橡胶片。
d）型材散热器应使肋片沿其长度方向垂直安装,以便于自然对流。
e）散热器应进行表面处理,以增强辐射换热。
f）应考虑体积、重量及成本的限制和要求。
5.3.2散热器选择方法
已知功率管的型号,输出电流,电压及环境温度。
根据GB7423.1至GB7423.3选用标准散热器。
散热器种类包括平板式、柱式、扇顶式、辐射肋片式、型材散热器和叉指型散热器等。
扇顶型散热器扇顶部分面积较大,散热效果较好,适合小功率晶体管的散热,其耗散功率范围为0.5～2W。
型材散热器可根据需要截取长度,其热阻不直接随长度的增加而减少。
有时安装在机壳背后,既散热,又起到骨架作用。
叉指型散热器的体积小、重量轻、散热效果好,交叉排列的指状散热片使对流和辐射散热效果都比较理想。
散热器选择示例见附录C（提示的附录）。
5.3.3散热器安装界面要求
从5.2条中的热传导公式可以看出,在器件内热阻、界面热阻和散热器热阻一定情况下,器件功耗直接影响结温,因此,热设计的任务就是尽可能减小界面热阻R
和散热器热阻R
。
对器件与散热器的接触面进行光洁处理、适度增加接触压力、充分利用接触面积、减少接触面插入物质厚度和选用低热阻率的导热材料可以有效降低界面热阻。
使用导热衬垫时还要考虑六个月以后的界面热阻会有约20%的增加。
5.4集成电路的热设计
半导体集成电路热设计要设法减小集成电路与散热器表面之间的安装界面的热阻。
对平面封装和DIP元器件要尽量利用其引线的导热。
5.5元器件自然对流换热的简化计算：
5.5.1计算法:
器件表面温度或其散热量按简化公式
（2）计算:
φ=Φ/A=2.5C⊿t
/D
┄┄┄┄┄┄┄┄┄
（2）
式中:
φ—热流密度,W/m2;
Φ—热流量,W;
A—换热面积,m2;
C—系数,由GJB/Z27-92中表5-1查得;
⊿t—换热表面与流体（空气）的温差,℃;
D—特征尺寸,m。
见GJB/Z27-92中表5-1介绍。
注:
本算法适用于自然冷却方法,器件未加散热器。
5.5.2查图法:
根据已知器件（或设备）的形状,尺寸及位置,可用GJB/Z27-92中5.4.1.1条介绍方法,通过图5-1的自然对流换热计算列线图,在已知Φ/A时求出⊿t,反之一样。
6电子组件的热设计
6.1印制板组件的热设计要求
6.1.1进行印制板组件的热设计首先要了解元器件的热特性,如元器件的耗散功率,最高允许温度,元器件的有效散热面积等。
6.1.2要了解设备、印制板组件和元器件周围的环境条件,如周围环境温度、气压、冷却剂入口温度,流速等。
6.1.3印制板组件的热设计与电气设计,结构设计同时进行,以便获得热阻最低的传热路径方案。
6.1.4PCB板的热设计原则
6.1.4.1在条件允许的情况下,选择更厚一点的覆铜箔,可有效提高散热性能。
6.1.4.2PCB板散热设计中,应尽可能采用大面积接地,大面积的铜箔能迅速向外散发PCB板的热量。
6.1.4.3对印制板上的接地安装孔采用较大焊盘,不得小于安装界面,以充分利用安装螺栓和印制板两侧的铜箔进行散热。
6.2印制板组件上电子元器件的热安装技术
6.2.1印制板组件上电子元器件的布置原则
6.2.1.1对温度敏感的器件和不耐热的器件,放在冷气流的上游（入口端）,发热量大而且耐热的器件,放在冷气流的下游（出口端）。
6.2.1.2在不影响电气性能的前提下,电子元器件的布置,应尽量使热量均匀分布,大规模集成电路应放在印制板组件的冷区域内。
6.2.1.3垂直放置的自然散热的印制板,电子元器件的安装应尽量采用减小气流阻力的安装形式,尽量使整块印制板上的气流均匀流动,提高散热效果。
6.2.1.4小功率分立器件与印制板之间的间隙35mm,以利于自然对流散热。
功率较大的元器件,在器件与印制板之间填充导热绝缘材料,如导热硅橡胶等。
6.2.1.5元器件的布置按其允许温度进行分类,允许温度较高的元器件放在允许温度较低的元器件上方。
6.2.1.6发热量大的元器件尽可能靠近温度低的表面（如金属外壳的内表面,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。
6.2.1.7尽可能减小安装界面及传热路径上的热阻。
6.2.2电子元器件安装热应力设计要求:
a）轴向引线的圆柱形分立器件如电阻、二极管等,采用搭接时,引线长度应≧2.6m。
b）当印制电路板上电子元器件安装密度较高时,器件引线事先加工成环形结构或一定的弯曲弧度。
c）大型矩形电子器件如变压器、扼流圈要留有较大的应变量。
d）小功率晶体管允许在其底部留有一定的空隙,中大功率晶体管在其底部安装散热片或散热器。
e）晶体管倒装,引线有较大的弯曲弧度。
f）晶体管翻转90℃安放在散热块上。
g）大功率集成元件,在壳体下部加导热条,导热条的厚度应
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