基于熱分析的電子元器件可靠性探討
摘要：介紹了溫度對電子設(shè)備中一些常見元器件的性能影響。在一種車載電子設(shè)備的熱設(shè)計(jì)過程中，根據(jù)實(shí)測結(jié)果分析了CPU、電源模塊和外圍電路元器件的溫度特性，并結(jié)合熱分析軟件進(jìn)行熱優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)的可靠性。
1 引言
對于電子設(shè)備來說，影響其可靠性指標(biāo)的一個(gè)重要因素就是元器件的工作溫度。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)記載，電子設(shè)備的失效率有55%是由溫度超過電子元件的規(guī)定值引起的。溫度對各種類型元器件的性能影響是不同的，在常見的元器件中，溫度對于半導(dǎo)體器件的影響最大。電子設(shè)備中大量應(yīng)用的半導(dǎo)體器件如集成運(yùn)放、TTL邏輯芯片、各種電源穩(wěn)壓芯片等，其基本組成單元都是P-N結(jié)，對溫度變化非常敏感。P-N結(jié)的性能-溫度函數(shù)關(guān)系見式（1）：
式中：Ico —溫度T℃時(shí)的反向漏電流；
Icor —溫度TR℃時(shí)的反向漏電流；
由式（1）可以看出，溫度每升高10℃，Ico 將增加一倍。這種隨溫度的變化，將直接導(dǎo)致運(yùn)放工作點(diǎn)發(fā)生漂移，晶體管的電流放大系數(shù)β發(fā)生變化并造成運(yùn)放增益不穩(wěn)定。溫度與允許功耗也存在以下的函數(shù)關(guān)系：
式中：Pcm—最大允許功耗； Tjm—最高允許結(jié)溫； T—環(huán)境溫度；Rt —熱阻；
由式（2）可以看出，溫升將使晶體管的最大允許功耗下降。另外，環(huán)境溫度升高將直接引起結(jié)溫升高，從而引起最高工作電壓下降。溫度過高，會(huì)使P-N結(jié)擊穿損壞。由于P-N結(jié)正向壓降受溫度影響較大，所以如TTL、HTL等雙極型半導(dǎo)體集成芯片的電壓傳輸特性和抗干擾能力也與溫度有非常密切的關(guān)系。
溫度對阻容元件的性能參數(shù)也有一定的影響。溫度升高時(shí)，會(huì)造成電阻內(nèi)熱噪聲加劇，阻值偏離標(biāo)稱值，允許耗散功率下降等。對電容器的影響是使電容量和介質(zhì)損耗角（功率因素）等參數(shù)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致電路中的阻容時(shí)間常數(shù)等參數(shù)改變，影響整個(gè)電子設(shè)備的可靠性。
為了減少溫度對元器件的性能影響，在電子設(shè)備的前期熱設(shè)計(jì)過程中，必須對CPU、電源和熱敏感元件的溫度-性能關(guān)系進(jìn)行仔細(xì)分析，并針對發(fā)現(xiàn)的問題采取相應(yīng)措施。下面，就某種車載電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)過程中出現(xiàn)的一些問題，結(jié)合熱分析軟件ANSYS，對設(shè)備中幾種典型的電子元器件進(jìn)行了性能測試，提出一種具有實(shí)用價(jià)值的電子元器件可靠性分析方法。
2 對電子元器件溫度特性的實(shí)驗(yàn)測試
該型車載電子設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)要求體積緊湊、工作溫度范圍為-30℃~55℃，并且要求在持續(xù)高溫環(huán)境下工作可靠穩(wěn)定。根據(jù)國軍標(biāo)《**電子設(shè)備環(huán)境試驗(yàn)方法》中對電子設(shè)備高低溫試驗(yàn)所作的詳細(xì)說明和規(guī)定，并結(jié)合該型電子設(shè)備的使用環(huán)境溫度范圍，我們對其做了24h環(huán)境溫度耐受試驗(yàn)，并在55℃環(huán)境溫度下對其元器件溫度分布和溫度特性作了實(shí)測，下面給出幾項(xiàng)相關(guān)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)：
