電子元件散熱問題的實驗研究

熱設計 2022-01-16

0引言

隨著現代電子元件對可靠性要求?性能指標?功率密度等進一步的提高,電子元件的熱設計也越來越重要?根據相關文獻記載,電子設備的失效率有55%是由于溫度超過電子元件的規(guī)定值引起的?溫度對各類元件的性能影響是不同的,在常見的元件中,溫度對半導體的影響最大?電子設備中大量運用電子元件如集成運放?TTL邏輯芯片?各種電源穩(wěn)壓芯片等,其基本組成單元是P-N結,對溫度的變化非常敏感?P-N結的性能—溫度函數關系式

式中:

ICO—溫度為T℃時的反向漏電流;

ICOR—溫度為TR℃時的的反向漏電流?

由(1)式可以看出,溫度每升高10℃,ICO將會增加一倍?這種隨溫度的變化,將會直接導致運放工作點發(fā)生漂移,晶體管的放大系數β發(fā)生變化并造成運放增益不穩(wěn)定?所以要選擇合理的散熱和冷卻方式,設計有效的散熱系統(tǒng),把電子元件的溫度控制在規(guī)定的溫度值之下,在熱源至外部環(huán)境提供一條低熱阻通道,確保熱量能夠順利的散發(fā)出去?本文就韓國藍鳥手機(運行時溫度過高)作為實驗主體,對其進行散熱實驗?

1實驗的建立

本實驗的目的是基于人們對手機使用的安全性及舒適度,而韓國藍鳥這款手機在通話30分鐘以上?攝影?充電?電量低于50%的時候,智能手機的工作溫度高于出廠規(guī)定的溫度,這對用戶的使用安全性及舒適度大打折扣,故設計以下實驗裝置,測量并采用貼石墨烯的方法降低智能手機工作時的溫度?

實驗工具主要包括紅外攝像儀,其型號是FLUCKT25,其主要用于測量智能手機發(fā)熱源的紅外圖像,并且通過圖像可以得到熱源的溫度分布情況?溫度計用于測量室溫,保證整個實驗過程室溫保持在±1℃的波動范圍之內,使實驗的測量結果更加穩(wěn)定,偏差更小?云臺主要是其支撐固定紅外熱像儀的作用?支撐板主要用于固定手機的位置,以免在測量過程中移動,還可以固定測量距離?測量位置,使得測量結果更加準確?

根據實驗目的及要求設置以下四種實驗工況:①不貼石墨烯散熱材料;②在手機后蓋上貼石墨烯散熱材料;③在智能手機屏蔽罩上貼石墨烯散熱材料;④在智能手機后蓋及屏蔽罩上貼石墨烯散熱材料?(本次實驗所用的石墨烯厚度為20μm,背面采用8μm的雙面膠來給其背膠)并且每一種工況都在以下七種負荷進行實驗,分別是:低電量?低電量+游戲?低電量+攝影?充電?充電+游戲?充電+攝影?攝影?

實驗方法是將未貼石墨烯的手機運行一段時間后(智能手機的工作溫度基本上達到一個穩(wěn)定狀態(tài)),采用紅外熱像儀測其發(fā)熱源溫度;然后等手機冷卻后貼附上石墨烯,并以相同的條件運行手機,相同的時間后采用紅外熱像儀拍攝發(fā)熱源溫度?

2實驗結果及分析

根據實驗要求及實驗步驟進行實驗,并得到了各個工況下各種負荷的智能手機發(fā)熱源的最高溫度值,如表1所示:

由圖2可以看出,智能手機貼了石墨烯散熱材料后,最高溫度值有了明顯的下降,這說明石墨烯散熱材料能夠很快的將發(fā)熱源產生的熱量迅速的傳送到周圍溫度較低的區(qū)域,這也體現出了其水平方向有很大傳熱系數的特點?不論是將石墨烯散熱材料貼在智能手機后蓋還是屏蔽罩上,兩者之間沒有明顯區(qū)別,也就是說石墨烯貼的位置對其散熱沒有影響?但是當給智能手機貼兩片散熱材料時,很明顯能看出比貼一片的散熱效果要好,這是因為手機后蓋與屏蔽罩之間有一定間隙,空氣的導熱系數很小,不能把發(fā)熱源產生的熱量迅速傳送到周圍溫度較低的區(qū)域?