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溫度循環和熱衝擊引起電子元器件失效和(hé)熱設計建議

作者: salmon範(fàn) 編輯: 草莓视频网站儀器 來源(yuán): www.tuyatang.com 發布日(rì)期: 2019.06.19

    溫度是導致器件失(shī)效(xiào)的罪魁禍首,下圖是美國航空航天局下的一個組織對航空航(háng)天電子設備因(yīn)環境因素導致失效的一個統計圖,其中溫(wēn)度(dù)導致的失效占40%。

電子(zǐ)設備因環境因素導致失效

    溫度循環溫度衝擊導致器件疲勞失效,每次的溫度循環和溫度衝擊形成的損害(hài)積累起來將導致(zhì)器件永久(jiǔ)損壞。器件的上下電也是一種溫度循環,對器件存在損傷。
    溫度循環和溫度(dù)衝擊對電子元器件的影響具(jù)體表現:
    1、低溫使材料變脆,抗折能力下降。
    溫度差將使器(qì)件材料產生蠕變,溫度變化率將使器件機械內(nèi)應力加劇,導致(zhì)器件材料斷裂或形成小裂(liè)紋。
    2、在定義溫度差和溫度變化(huà)率的時間時,實際上是依據(jù)器件材(cái)料(liào)產生蠕(rú)變(biàn)和彈性形變來分界的。
    在考(kǎo)慮溫度對器件的影響時以T+△T或T+▽T的形式考慮
    3、在考慮恒定溫度(dù)的同時,考慮溫度差(chà)或溫度(dù)變(biàn)化(huà)率帶來的其它影響。
    溫度循環和衝(chōng)擊對器件形成應(yīng)力循環,弱(ruò)化材料性能,引(yǐn)起(qǐ)各種不同的失效:

溫度循環和(hé)衝擊對器件形成應力循環(huán)

    溫度循環和衝擊適用的模(mó)型為科(kē)芬-曼森(Coffin-Manson)公式

    溫度循環和(hé)熱衝擊引起電子元器件失效場景示例:

溫度(dù)循環和熱衝擊引起電子(zǐ)元器件失效場景示例

    案例:溫度變化產(chǎn)生的應力導(dǎo)致器件基板斷裂

溫度變化產生的應(yīng)力導致器件基板斷(duàn)裂
    元器件的熱設計的一些建議:
    1、對於散熱要求高的器件建議選用導熱性能好的基材。
    PCB本身的散熱能力影響器件的散熱效果,為提高(gāo) PCB的散熱能力可以選用導熱性能好的(de)基材,例如(rú)采用金屬基底印製(zhì)板和陶瓷基底(高鋁陶瓷、氧化鋁陶瓷)印製板等。
    2、塑封(fēng)表(biǎo)麵貼裝組件應避免使用低CTE的引線框架與(yǔ)引腳材料,比如42#合金,KOVAR等。這樣的材料降低組(zǔ)件(jiàn)的(de)CTE,導(dǎo)致與(yǔ)FR4或者類似的PCB材料(liào)較大的CTE不匹(pǐ)配,用這樣的引(yǐn)腳材料也會遇到可焊性問題。
    3、對於功率耗散比較大的組件,要重點(diǎn)考慮(lǜ)功率(lǜ)耗(hào)散引(yǐn)起(qǐ)的熱(rè)梯度的影響。
因為這種情況下,即使組件和基板的CTE是匹配的,組件內部的功率耗散循環的影響可能比環境溫(wēn)度循環的影響(xiǎng)更大。
    4、表貼保險管比同樣的插件保險絲散熱效果差,需要附加降溫手段。
    5、在使用功率電阻時,可以通過使用機械緊固或熱固塑料來改善從功率電阻到(dào)散熱器或者機架的熱傳導效果。
    6、對(duì)於大於2W的功率電阻,需要在器件底部設計一片銅箔,以減少在失效情況下印製(zhì)電路板的燒焦狀況。
    7、改善器件散熱性能的措施有:在PCB上設計(jì)局部的金屬塊、改變內部的層數、銅箔厚度/麵積、增加散熱過孔等。
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