探究电子设备热可靠性设计

探究电子设备热可靠性设计

冯桂萍 ,尹彦梅 ,白蕊 ,李英杰

北方自动控制技术研究所，太原 山西 030006

摘要：在信息时代的发展背景下，越来越多的设备都呈现出小型化的发展历程，但对应的设备电子元件集成程度也在迅速上涨，一方面针对于电子设备的小型化、高性能矛盾设计要求来说，在这一设计过程当中不仅仅要注重电子设备用户的体验及其设备自身体系的大小，同时更要兼顾由于电子设备较高性能所引发的热量大等问题。另一方面由于电子设备较高性能所导致的设备功耗也逐渐升高，这也直接与现代环保理念所呈现出的发展大趋势呈现出关键矛盾。对此，本文基于电子设备的热设计原则及其热控制方法，分析电子设备热设计的优化原理，重点阐述电子设备热可靠性设计的有效策略，实现电子系统的热分析。

关键字：电子设备；热控制；设计分析

前言：在我国现代科学技术水平逐步上升的背景下，现代电子设备器件的小型化、集成技术也在迅速落实，但值得注意的是，当前电子设备在有线平台空间内的利用过程当中，所涉及到的整体设备种类及其密集程度已经迅速扩增，而电子设备的设计工作显然已经成为一项日渐复杂的系统性工程。基于此背景下，为了进一步保障电子设备在工作状态下的热可靠性及其在较为恶劣的温度环境条件下的适应能力，目前电子设备的热控制及热分析技术已经得到了大范围的推广与应用，以此来保障电子设备的可靠性运转。

1.电子设备热设计

  1.1电子设备热设计原则

  在信息时代的发展背景下，随着现代电子装备密度的升高，所对应的电子设备热流密度也在逐步扩大，并且由于不同类型所具备的电子设备散热量不同，所以在相同的环境条件下不同电子设备将会呈现出不同的敏感性。但值得注意的是，实现电子设备热控制的最终目的是为了防止设备内部的电子元器件发生热时效现象，所以电子设备的热控机基本设计原则就是要保障电子设备内部各芯片元件都能够建设在良好的热环境内，并保证及在规定的热环境下能够按照预估标准实现可靠工作。基于此背景下，当前在确定电子设备的热设计方案上，还应当重点考虑电子设备原器件的最高允许温度及其设备最大功耗，观察设备在热环境下的可变性和设备自身的电磁干扰与机械振动。

  1.2电子设备热控制方法

  目前，电子设备的热控制方法实际上就是针对电子设备内部元器件的冷却方法，而冷却方法的合理选择也直接影响到最终电子设备的可靠性及运行成本等要素。所以要想有效实现电子设备的热控制，就必须要针对电子设备自身的发热量及其散热结构，尺寸等要素实现深入研究。当前，由于不同电子设备所具备的传热机理均存在差异，所以冷却方法也可以分为自然冷却、强迫冷却及蒸发冷却等不同冷却形式，主要根据电子设备设计的侧重点来选择不同形式的冷却方法。例如在自然冷却方法的利用当中，这一方法凭借其可靠性高且降低成本等主体优势，并不需要通风机类的大型驱动装置来实现冷却【1】，直接避免了由于装置部件的磨损现象所导致的系统可靠性下降等问题，所以当前自然冷却也是电子设备最为常见的冷却方式。另外针对一些热流密度较大的电子设备来说，在通常情况下则采用强迫空气冷却的方式，这也是由于强迫冷却方式相比于其他的冷却方法来说，具备着非常明显的设备结构简单且低成本的特点，所以能够针对温升较高的设备实现广泛应用。

2.电子设备热可靠性设计策略

  2.1电子元器件安装

  目前，电子设备在元器件的安装上必须要考虑以下几个方面:首先针对于温度较为敏感的设备元器件来说，必须要将其放置在特定的设备冷区区域内，例如设备冷却空气的入口处。同时电子设备在元器件的布置上可根据设备的允许温度实现有效分类，即将允许温度较高的元气件放置假允许温度较低的元器件之上，然后再按照元器件的耐热程度实现有规律的递增布置排列。

其次，针对于电阻类的电子元器件来说，尤其是针对大功率的电阻器必须应当安装在金属底座上，并保持在水平安装位置。另外，如果其电子元器件与功率电阻器之间的距离小于50mm【2】，则必须要在大功率电阻器与元件之间加设热屏蔽板，以此来保障电子元器件的安全运行。最后针对于半导体类元器件来说，则应当采用传导式散热，避免元器件与散热器之间的紧密接触，在必要的情形下，也可通过加装导热性能良好的绝缘衬垫等方式来减少元器件的接触热阻。

  2.2电子元器件热屏蔽与热隔离

  在电子元器件的热源区域实现热屏蔽与热隔离设计的过程当中，必须要尽可能的将导热通路直接连接到热沉，以此来减少高温与低温元器件之间所产生的辐射耦合效应，并通过加装屏蔽版行程设备内部的热区与冷区【3】。同时，为了进一步实现热隔离，还应当降低空气或其他冷却剂的温度梯度，并在此基础上将高温元器件安装在具有高黑度的表面外壳当中，确保其外壳与散热器装置实现良好的导热连接，建设高效的导热通路。

  例如，采用热屏蔽板加装于散热量高的区域和低的区域进行隔离，如图一所示。

图一 散热量差异较大区域采用热隔离方式

  2.3电子机箱壳体自然冷却设计

  由于电子设备机箱中大部分的热阻都存在于结合面处，所以在电子设备机箱壳体的自然冷却设计上，必须要实现机箱壳体与底座支架间的良好导热连接性能。这也直接要求冷却设计下所有金属间的接触面必须实现清洁且光滑，通过扩大接触面积的方式形成较高的基础压力。然后再通过针对机箱壳体内外表面涂漆的方式，针对机箱发热元器件的顶部和底部实现两侧开通风孔，实现良好的散热冷却。除此之外，也可以通过在机箱外壳应用一些散热性能较好的肋片，从源头上降低电子设备内部元器件的温度。

结论：

综上所述，电子设备的热设计环节作为一项较为复杂的系统性工程，其不仅涉及到了多项学科知识，同时其热控制技术的整体质量也将直接影响最终的电子设备元器件的热可靠性。基于此背景下，为了进一步保障电子设备热可靠设计的高质量建设，就必须要从全局考虑，从整个热可靠设计的系统性观点来展开相应的热分析及热控制技术。进而在电子设备规定的寿命周期内部，发挥出电子设备所具备的标准性功能，然后以最少的资金维护投入来保障电子设备的正常运转，实现电子设备运行的规范化管理，全面提升电子设备热可靠性设计水平。

参考文献：

[1]谭雯,沈三民,杨峰.高温旋转环境下的电子设备热设计[J].现代电子技术,2022,45(04):19-22.
[2]吴波.微型泵驱动原理及其在电子设备热管理中的应用[J].机械工程师,2020(03):121-122+124.
[3]丁鹭. 复杂构态对小型电子设备热传递强化作用研究[D].吉林建筑大学,2019.