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温度循环和热冲击引起电子元器件失效和热设计建议

作者: salmon范 编辑: 瑞凯仪器 来源: www.riukai.com 发布日期: 2019.06.19

    温度是导致器件失效的罪魁祸首,下图是美国航空航天局下的一个组织对航空航天电子设备因环境因素导致失效的一个统计图,其中温度导致的失效占40%。

电子设备因环境因素导致失效

    温度循环温度冲击导致器件疲劳失效,每次的温度循环和温度冲击形成的损害积累起来将导致器件永久损坏。器件的上下电也是一种温度循环,对器件存在损伤。
    温度循环和温度冲击对电子元器件的影响具体表现:
    1、低温使材料变脆,抗折能力下降。
    温度差将使器件材料产生蠕变,温度变化率将使器件机械内应力加剧,导致器件材料断裂或形成小裂纹。
    2、在定义温度差和温度变化率的时间时,实际上是依据器件材料产生蠕变和弹性形变来分界的。
    在考虑温度对器件的影响时以T+△T或T+▽T的形式考虑
    3、在考虑恒定温度的同时,考虑温度差或温度变化率带来的其它影响。
    温度循环和冲击对器件形成应力循环,弱化材料性能,引起各种不同的失效:

温度循环和冲击对器件形成应力循环

    温度循环和冲击适用的模型为科芬-曼森(Coffin-Manson)公式

    温度循环和热冲击引起电子元器件失效场景示例:

温度循环和热冲击引起电子元器件失效场景示例

    案例:温度变化产生的应力导致器件基板断裂

温度变化产生的应力导致器件基板断裂
    元器件的热设计的一些建议:
    1、对于散热要求高的器件建议选用导热性能好的基材。
    PCB本身的散热能力影响器件的散热效果,为提高 PCB的散热能力可以选用导热性能好的基材,例如采用金属基底印制板和陶瓷基底(高铝陶瓷、氧化铝陶瓷)印制板等。
    2、塑封表面贴装组件应避免使用低CTE的引线框架与引脚材料,比如42#合金,KOVAR等。这样的材料降低组件的CTE,导致与FR4或者类似的PCB材料较大的CTE不匹配,用这样的引脚材料也会遇到可焊性问题。
    3、对于功率耗散比较大的组件,要重点考虑功率耗散引起的热梯度的影响。
因为这种情况下,即使组件和基板的CTE是匹配的,组件内部的功率耗散循环的影响可能比环境温度循环的影响更大。
    4、表贴保险管比同样的插件保险丝散热效果差,需要附加降温手段。
    5、在使用功率电阻时,可以通过使用机械紧固或热固塑料来改善从功率电阻到散热器或者机架的热传导效果。
    6、对于大于2W的功率电阻,需要在器件底部设计一片铜箔,以减少在失效情况下印制电路板的烧焦状况。
    7、改善器件散热性能的措施有:在PCB上设计局部的金属块、改变内部的层数、铜箔厚度/面积、增加散热过孔等。
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