封装热管理与相关分析.ppt

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四、封装热管理与分析 张 云 marblezy@hust.edu.cn 周华民 hmzhou@hust.edu.cn 目 录 4.1 封装的热管理 4.2 热传导原理与封装热阻 4.3 稳态传热与瞬态传热 4.4 Ansys 热分析简介 4.5 案例分析 4.1 封装的热管理 4.1.1 热管理概述 4.1.2 热管理重要性 4.1.3 热管理技术 4.1.4 热设计中常用的技术措施 4.1.1 热管理概述 (1)热管理概念 是指对封装体内的耗热元件及系统采用合理的冷却/散热技术和结构设计优化,对其温度进行控制,从而保证电子器或系统正常、可靠地工作。 (2)目的 通过各种方法导出这些热量,使封装体的温度维持在允许的范围。 4.1.1 热管理概述 (3)热量来源 电流在封装体内部芯片中流动,将电能转化成热能,引线、电阻、多晶硅等通电后都会产生热量,特别是一些高功能密度的核心器件(如CPU)产生的热量更加多; 封装体内部可动部件摩擦产生的热量,如微镜阵列等。随着热量的不断积聚,如果没有有效的流通路径将热量带走,封装体内的温度就会不断上升,直至电子器件停止工作或完全失效为止。 4.1.2 热管理的重要性 据统计,电子产品产生失效的原因,大约有55%是由于过热及 与热相关的问题造成的。电子器件的失效往往与其工作温度密 切相关,在一定的温度范围内,随着温度的升高,电子器件的 失效率急剧上升。 芯片最大热流密度增长趋势 电子产品失效的主要原因(来源美空军整体计划分析报告) 著名的Arrhenius方程: 式中: ML(T2) 和ML(T1)是在T2和T1温度下的寿命 Ea是激活能 k是Boltzmann常数,8.6210-5eV/K, T1和T2是开氏温度。 温度对半导体器件的影响最为敏感 半导体器件失效模式、失效机理与激活能 寿命与温度、激活能关系(300K) 寿命与温度、激活能关系(400K) 温度对电阻器和电容器的影响也很大。 温度的升高导致电阻器的使用功率下降。 如碳膜电阻,当环境温度为40℃时,允许的使用功率为标称值的100%;环境温度增到100℃时,允许使用功率仅为标称值20%。 又如RJ-0.125W金属膜电阻,环境温度为70℃时,允许使用功率仅为标称值的20%。 温度的变化对阻值大小有一定的影响,温度每升高或降低10℃,电阻值大约要变化1%。 温度对电容器的影响主要是每升高10℃,使用时间就要下降一半,绝缘材料的性能也下降。 热对系统可靠性的影响 元器件的失效率与温度的关系 减少设备内部产生的热量,是设计的一项指标; 降低设备受外界环境的热影响; 减少热阻,是结构设计的目的之一; 保证电气性能稳定,热设计使元件不在高温条件下工作,以避免参数漂移; 改善电子设备的可靠性; 廷长使用寿命。 热设计的对策和目的 4.1.3 热管理技术 电子封装的散热方式 (1)被动式散热 (2)主动式散热 (1)被动式散热 主要是通过改变材料的性质、尺寸或配置方式以实现散热。 可选用低热阻材料,还可以在接触面处使用导热胶或导热片等,以避免因接触面凹凸不平,有空气残留,而使传热效果变差 热贯穿孔的配置是常见的被动式散热方式之一。热贯穿孔通常是以垂直于电路板平面的方向配置于电路板内,以降低热阻。热贯穿孔通常由导热性好的金属材料如铜制成。一般的电路板材料的导热性能都不好,借助热贯穿孔的配置,从而降低电路板的等效热阻 (2)主动式散热 加装其他增加热传递效率的组件,以外力的方法来达到散热效果,如安装散热片、风扇或热管等。 散热片:在热管理设计中,可以通过增加热 传递表面积或散热片来实现减小热阻值。散 热器的实 物如图所示,它由多个散热片构成 ,可黏合在组件模块的外壳上,而让热经由 散热片有效地散发出去。 散热器 (2)主动式散热 热管:是利用相变过程和蒸汽扩散把热量传递到较远距离的热传递器件,是一个具有内芯结构的绝热细长管,在内部含有少量传热媒介。 热管组成:蒸发段、绝热段和冷凝段。当蒸发段受热时,通过管壁使浸透于吸液芯中的工作液蒸发,蒸汽在蒸发段和冷凝段之间形成的压差作用下流向冷凝段;在冷凝段由于受冷却,蒸汽凝结为液体,释放汽化潜热;冷凝后的液体靠吸液芯与液体相结合所产生的毛细力作用,将冷凝液输回蒸发段,形成一个循环。如此往复不断,完成热管的导热过程。 (2)主动式散热 热电冷却(半导体冷却): 当直流电通过具有热电转换特性的导体组成的回路时具有制冷功能这就是所谓的热电制冷。半导体制冷是热电制冷的一种 ,即直流电通过由半导体材料制成的PN结回路时 ,在 P N结的接触面上有热电能量转换的特性,

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