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散熱與抗熱已成為必要的技術(shù)
「汽車」工業(yè)已經(jīng)是發(fā)展了百余年的老產(chǎn)業(yè),其中所涵蓋的技術(shù),包括:引擎、發(fā)電機(jī)、起動(dòng)機(jī)、底盤、空調(diào)與照明…等眾多技術(shù)也隨之發(fā)展到今天,使得汽車不再只是交通運(yùn)輸工具的代名詞,而是現(xiàn)實(shí)生活中不可或缺的必需品。而隨著微機(jī)電技術(shù)及各類型車用電子裝置的組裝技術(shù)發(fā)展,使成具有高度整合性的電子系統(tǒng)。
從眾多的研究中可得知,在目前汽車電子設(shè)備中所使用的功率元件,在經(jīng)過一段長時(shí)間進(jìn)行通電,并在開機(jī)進(jìn)行運(yùn)作之余,其設(shè)備內(nèi)部或機(jī)殼的溫度有可能會(huì)超過100℃,大大地增加車用電子設(shè)備的故障機(jī)率。因此,在目前電子裝置逐日增高的熱流密度(在某個(gè)單位時(shí)間中設(shè)備表面積吸收的熱量),將帶給汽車電子的設(shè)計(jì)人員,進(jìn)行產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段時(shí),面臨了「熱源」所導(dǎo)致的嚴(yán)格挑戰(zhàn)。
一般來說,舉凡系統(tǒng)中的散熱技術(shù)設(shè)計(jì)不良或功率元件選擇不當(dāng),是目前車用電子設(shè)備發(fā)生尸效、錯(cuò)誤的重要原因之一。而車用電子設(shè)備中,如:安裝地位與汽車輪胎接近的胎壓檢測系統(tǒng)(Tire Pressure Monitoring System;TPMS),除了輪胎與地(__chu2 le0 lun2 tai1 yu3 de0)面所產(chǎn)生的熱源之外,所使用的電子元件工作壽命與工作溫度將有最直接的關(guān)系;或者是因?yàn)楣β试半娐钒灏l(fā)生熱傳導(dǎo)作用,以及設(shè)備內(nèi)部功率密度不均勻的狀態(tài)下,使得功率元件在高速運(yùn)作、低電壓和高復(fù)雜度等設(shè)計(jì)債下,大幅提升元件的溫度變化,最后使得材料前后端受限制,使得溫度急速提升造成熱變形及熱應(yīng)力時(shí),使得車用電子設(shè)備發(fā)生疲勞尸效與故障的情形發(fā)生。
圖說:汽車工(tu2 shuo1 _qi4 che1 gong1)業(yè)器重散熱設(shè)計(jì),主要的散熱問題來自于功率元件的應(yīng)用越來越多,再加上半導(dǎo)體制程技術(shù)發(fā)展,已將更多的晶體管被整合在單一芯片內(nèi),導(dǎo)致整體功率消耗及熱量增加。圖為富士康(FOXCONN)所設(shè)計(jì)應(yīng)用于計(jì)算機(jī)裝置上的散熱風(fēng)扇使用導(dǎo)熱膠。
電子功率(dian zi gong lv)元件「抗熱」設(shè)計(jì)與要求
在過去的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)中,樣品機(jī)對于熱測試其最后所得到的結(jié)論大都只能作為參考之用,而不能作為實(shí)際設(shè)備與系統(tǒng)之間的對比,所以已無法再適用于目前汽車電子裝置的研究、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、制造需求。因此,深入了解與經(jīng)驗(yàn)的學(xué)習(xí)汽車電子設(shè)備中對于熱的設(shè)計(jì)及熱的分析技術(shù),才是提高汽車電子設(shè)備對于熱可靠性的重要參考價(jià)值。
從理論上來說,由于汽車電子所使用的功率元件,在應(yīng)用階段所承受的熱應(yīng)力可能是源自于元件動(dòng)作時(shí)所產(chǎn)生的,但也可能來自環(huán)境條件下的外部影響。換句話說,由于元件在動(dòng)作時(shí)所耗散的功率必須透過散熱的形勢,將動(dòng)作之后所產(chǎn)生的熱源給揮發(fā)出去,倘若所使用的功率元件的散熱能力受到限制,則功率的耗散就會(huì)造成元件內(nèi)部芯片的結(jié)溫溫度升高;如此一來,便會(huì)造成汽車系統(tǒng)可靠性降低,也就是說無法讓汽車在絕對的安全狀態(tài)下持續(xù)進(jìn)行正常動(dòng)作。因此,使用在汽車電子的功率元件對于熱能力的溫度限制,必須契合-40℃+125℃的應(yīng)用環(huán)境溫度,以及+150°C的結(jié)溫溫度。
再者,就是汽車電子元件的散熱設(shè)計(jì),一般的功率元件的散熱能力大都是以熱阻作為表示,而阻抗越大,則散熱能力越差。熱阻又分為內(nèi)熱阻和外熱阻,內(nèi)熱阻是元件自身固有的熱阻與機(jī)構(gòu)外殼所使用的材料導(dǎo)熱性、厚度和截面積,甚至是加工工藝制程技術(shù)有關(guān)。一般來說,機(jī)構(gòu)外殼所使用的面積越大,則外熱阻越小,金屬外殼的外熱阻就明顯低于塑封管殼的外熱阻。當(dāng)功率元件的功率耗散達(dá)到一定程度時(shí),元件的結(jié)溫溫度升高,導(dǎo)致汽車電子系統(tǒng)的可靠性降低,而為了提高汽車系統(tǒng)使用上的可靠度,必須針對功率元件進(jìn)行的抗熱設(shè)計(jì)與散熱系統(tǒng)的考量。
圖說:在設(shè)計(jì)上讓汽車電子設(shè)備的散熱設(shè)計(jì)達(dá)到最佳可靠性及安全性,必須透過擴(kuò)展溫度范圍技術(shù),進(jìn)一步提升系統(tǒng)對于溫度變化的抵抗能力,甚至是利用元件供應(yīng)商透過預(yù)先性的設(shè)計(jì)技術(shù)及限定方法,來因應(yīng)環(huán)境溫度對電子設(shè)備的影響,使用導(dǎo)熱膠延長電子元件壽命。
車用電子系統(tǒng)之功率元件熱設(shè)計(jì)
功率元件熱設(shè)計(jì)是要防止元件出現(xiàn)過熱或溫度變化后所造成的熱尸效,這
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