摘要：先容了温度对电子设备中一些常见元器件的性能影响。在一种车载电子设备的热设计过程中，根据实测结果分析了CPU、电源模块和外围电路元器件的温度特性，并结合热分析软件进行热优化设计，进步了系统的可靠性。
1 引言
对于电子设备来说，影响其可靠性指标的一个重要因素就是元器件的工作温度。根据相关文献记载，电子设备的失效率有55%是由温度超过电子元件的规定值引起的。温度对各种类型元器件的性能影响是不同的，在常见的元器件中，温度对于半导体器件的影响最大。电子设备中大量应用的半导体器件如集成运放、TTL逻辑芯片、各种电源稳压芯片等，其基本组成单元都是P-N结，对温度变化非常敏感。P-N结的性能-温度函数关系见式（1）：
式中：Ico —温度T℃时的反向漏电流；
Icor —温度TR℃时的反向漏电流；
由式（1）可以看出，温度每升高10℃，Ico 将增加一倍。这种随温度的变化，将直接导致运放工作点发生漂移，晶体管的电放逐大系数β发生变化并造成运放增益不稳定。温度与答应功耗也存在以下的函数关系：
式中：Pcm —最大答应功耗； Tjm—最高答应结温； T—环境温度；Rt —热阻；
由式（2）可以看出，温升将使晶体管的最大答应功耗下降。另外，环境温度升高将直接引起结温升高，从而引起最高工作电压下降。温度过高，会使P-N结击穿损坏。由于P-N结正向压降受温度影响较大，所以如TTL、HTL等双极型半导体集成芯片的电压传输特性和抗干扰能力也与温度有非常密切的关系。
温度对阻容元件的性能参数也有一定的影响。温度升高时，会造成电阻内热噪声加剧，阻值偏离标称值，答应耗散功率下降等。对电容器的影响是使电容量和介质损耗角（功率因素）等参数发生变化，从而导致电路中的阻容时间常数等参数改变，影响整个电子设备的可靠性。
为了减少温度对元器件的性能影响，在电子设备的前期热设计过程中，必须对CPU、电源和热敏感元件的温度-性能关系进行仔细分析，并针对发现的题目采取相应措施。下面，就某种车载电子设备热设计过程中出现的一些题目，结合热分析软件ANSYS，对设备中几种典型的电子元器件进行了性能测试，提出一种具有实用价值的电子元器件可靠性分析方法。
2 对电子元器件温度特性的实验测试
该型车载电子设备设计时要求体积紧凑、工作温度范围为-30℃~55℃，并且要求在持续高温环境下工作可靠稳定。根据国军标《军用电子设备环境试验方法》中对电子设备高低温试验所作的具体说明和规定，并结合该型电子设备的使用环境温度范围，我们对其做了24h环境温度耐受试验，并在55℃环境温度下对其元器件温度分布和温度特性作了实测，下面给出几项相关的试验数据：
1．带有插槽和不带插槽时的CPU结点最高温度。图1和图2中分别给出了环境温度T∞～Tmax关系曲线和T∞≈55℃系统达到热稳态时的时间t～Tmax关系曲线。从图中可以很轻易发现当PCB上的CPU不带插槽时的壳温要比带有插槽时的壳温均匀低2℃～3℃，因此在电子产品热设计中假如芯片工作的环境温度处于一个相对较高的范围时，必须慎重考虑是否安装插槽，而不能仅仅为了安装或者维护方便而牺牲系统的可靠性。就该型设备而言，由于其工作温度范围最高为55℃，而芯片壳温在最高时可达八十多度，结温则相应要达到更高的温度级别。当集成电路芯片的温度达到90℃时，其失效率将高达0.5100。因此，采取一定的措施，即使只能使其温度下降2℃～3℃，可靠性也将大大进步。
2．78T05三端稳压芯片温度－特性曲线。该型电子设备中由于驱动器件较多，要求输出电流值较大，因此普通的毫安级电源芯片无法满足其要求，这里选用了大功率的电源稳压芯片78T05，输出电流可达3A，最大功率25W。在设计初期由于受体积所限，未考虑使用散热片。但是在使用过程中发现该芯片发热较为严重，即使应用了节电措施和电源监控电路也无法显着进步电源电路的工作可靠性。我们对78T05的温度－输出电压特性曲线进行了丈量，并对比了安装散热片与不安装散热片时的输出电压差别（图3），得出结论78T05的工作温度对其电压特性有着非常明显的影响。另外，78T05内部特有的热关断保护可能造成系统非正常停止工作，而这种故障是在设计系统时必须极力避免的。为了保证向电子设备提供可靠稳定的工作电压，并且控制Tj＜(0.5～0.8)Tjmax的热安全裕量，采取必要散热措施，降低其结温是需要重视的。图4是T∞=55℃系统达到热稳态时的时间t～Tmax关系对比曲线，安装铝型材散热片后78T05的最高壳温下降了大约7℃。
3 利用ANSYS进行热分析
根据上面的一系列实验测试和结果比较，用有限元软件ANSYS的MULTIPHYSICS物理场系统对上述元器件进行芯片级的热设计分析与验证，分别建立了CPU和78T05改进前后的有限元模型，以便进行前后对比，建模过程这里不做具体先容。
通过计算，得到一系列较为理想的温度分布云图，如图5～图8所示。可以看出，改进后两种器件的最高温度分别下降了3℃和8℃，与实验结论的变化趋势基本保持一致。同时，我们发现仿真结果在数值上和实验数据还是有着较大的差别，这主要与ANSYS、ESC等CFD软件内部数学模型不够完善，以及丈量时产生的误差有关。但是，这并不影响我们利用热仿真软件猜测设备内部温度场分布，找出热门，并根据温度分布改进不公道的热设计，消除热门，从而进步电子元器件和整机系统的可靠性。
4 结论
本文以某型车载电子设备为例，提出了利用实验测试和有限元软件仿真结合，对电子元器件的温度特性进行研究的方法。终极结果表明，利用二者交互进行电子设备的热分析和热设计，可以有效弥补实验测试误差和仿真精度不够的不良影响，并且将温度对电子元器件的性能影响减至一个符合系统可靠性要求的范围内。（中国电子设计网）
来源:2008前进
