电子设备的热处理

电子设备的热处理大多数电子元件是小功率的，工作中只产生微量热量。但是，还有一些元件——如大功率晶体管、CPU、大功率二极管——会产生大量热量，从而影响这些元件的工作寿命和可靠性。如果我们把每一个发热元件分开考虑的话，在工作状态下，元件内部产生的热量会使其温度升高，直至产生的热量等于散失的热量，元件内外达到平衡。发热物体散热的速率服从牛顿冷却定律——散热速率与物体和环境的温差成正比。元件温度上升则散热增加——当元件内部每秒散失的热量等于产生的热量时，元件即达到平衡温度。这个温度可能会高到显著缩短元件的寿命，甚至引起元件失效。因此，使用导热产品是必要的。整体电路或包括多个发热元件的设备也会产生同样的问题。强制气流环境下的散热速率高于静止空气状态，因此控制元件或电路温度的方法之一，是安装一个或数个风扇以促进空气流动。甚至确保较大的通风空间也会比没有通风口的狭窄空间更有助于降低工作温度。可以忽略的一点是，高海拔、低大气密度会影响热传导的效率，从而导致较高的元件工作温度。热量从元件表面向环境中散失。散热速率随元件的表面积增加而增大——与功率相同而表面积更大的元件相比，一个放热10W的小元件具有更高的温度。因此限制工作温度的方法之一，是通过附加金属散热片，人为增加表面积。散热片可通过冲压、模压或浇铸而成，通常是铜、铝或其它合金——散热片应为热的良导体。散热片通常具有精细的结构，以便使有效散热面积最大化。元件处于良好的通风环境，甚至通过一个或几个风扇强迫空气流动，会有助于提高散热片的工作效率。但是，散热片及元件的表面不可能是理想的平滑贴合表面，因此当两个表面接触时，内界面总会存在微小的气隙。空气是热的不良导体，因此内界面会形成会形成热屏障，从而限制了元件的散热效率。使用导热脂会克服这一影响。导热脂用于填充元件和散热片之间的缝隙，降低两者界面间的热阻，从而加速散热，降低元件的工作温度。导热脂可以是各种类型。Electrolube生产一系列导热脂，由导热矿物质填料与基础液组成，置换元件/散热片内表面的空气。基础液可能是无硅油或硅油，硅脂（如Electrolube的HTS，HTSP）通常比无硅脂（如Electrolube的HTC，HTCP）有更高的工作温度。然而硅会引起一些电路问题，因为硅易游离，会污染如继电器触点等部件。通过增加矿物质填料的含量，或改变填料类型，导热脂的导热系数可以调整。产品代码中带“P”的导热脂含更多填料和特殊的多种导热填料，以增加导热系数。通常导热系数越高导热脂的粘度就越大，这会增加施工的难度。导热脂的膏体形态使其保护的元件更易维修及修复。然而对于某些环境来说，可固定在固体上的导热脂更适合。Electrolube的TCR就是一个硅RTV产品，含系列矿物填料，填充在散热片和发热元件之间，与空气中的潮气反应，固化成硅橡胶。Electrolube的TBS是双组份环氧树脂，固化成坚硬的固体，将散热片粘结在元件上。这对于某些设计可能是一个优点，但会引起拆卸困难。对于任何导热材料来说，非常重要的一点是确保发热元件和散热片之间的界面被完全填充，所有的空气均被排出。施工时通常的做法是将导热材料点在发热元件或散热片交界面的中心，随后将两个界面平行合在一起。应控制导热材料的施工量，以确保会排出所有的空气，同时又不会太多，以至于多余的膏体挤出界面。使用自动点涂机会更易控制合适的施工量。应确保所有空气被排出界面，以降低热阻，降低元件工作温度。导热脂的导热系数通常比散热片材质低，所以导热脂的施工厚度应越低越好，这也有助于降低热阻和元件的工作温度。但膜厚尽量低的同时也要注意不要引入空气。控制膜厚的一种有效方法是在膏体或树脂中加入直径可控的玻璃微珠（路标玻璃球）——则内界面缝隙的厚度即可通过微珠的直径而测得。可使用螺钉或夹子固定元件和散热片，已确保接触良好。如果已知导热脂的导热系数和膜厚，及散热片的接触面积，就可计算出边界热阻，并因此得到元件的均衡工作温度。同时需已知元件的功率，并设定散热片达到的温度。随着电路中热量的产生，可在整体或附属的金属冷却翼中灌注导热化合物以控制热量。Electrolube生产数种此类产品，最受欢迎的是双组份环氧树脂ER2074和ER2183。需要重申的是灌封操作中应确保无空气混入，以免妨碍热传导到金属介质。如果不需要上述提到的两种高导热树脂，则可考虑通用型封装产品，如ER2188。矿物填料比纯树脂产品导热系数高，所以填料含量越高导热系数越高，但是填料含量高会引起粘度升高，灌封中混入空气的可能性增大。另一种热量控制的专业方法是用液体冷却，也是珀耳帖效应装置。通常液体冷却包括在元件附近封闭循环的冷却液，这些液体通常比空气的导热效率更高。液体冷却的精妙之处在于散热管的应用。冷却液在散热管中随元件发热而挥发，随后蒸气流动到一个制冷区，并在那里被浓缩。液体挥发过程中会有效帮助元件散热。这一原理被有效用于冰箱系统。两种相异金属连接处的直流体遵守珀耳帖效应——在一个方向上流动的气流会加热连接处，但是反向流动会使之冷却。半导体已经被发现符合这一效应，一排半导体可用于冷却。所有这些冷却装置都需要在待冷却元件的界面上使用导热脂，以排除热阻高的空气，增加冷却系统的传热效率，并在冷却装置的终端使用散热片。电子设备小型化程度的提高意味着散热问题更加重要。更高效的热处理通常会增加元件的稳定性，延长其平均寿命。Dr.JohnHumphriesElectrolube