电子元器件可靠性温度控制方法探讨
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摘 要：本文首先从温度对可靠性的影响入手，简述了元器件可靠性温度与冷却系统的关系，通过降额设计来确定元器件的工作温度;其次，对可靠性温度控制方法进行了探讨，元器件的温度控制应从电路参数设计开始，合理确定元器件的功耗，运用可靠性仿真对产品进行优化迭代;最后，对电子元器件可靠性设计流程和发展方向提出了总结和展望。
关键词：元器件;可靠性;温度控制
电子设备在实际使用中会受到各种环境的影响，特别是军用电子设备的使用环境更加恶劣，如气候环境、温度环境、机械应力环境、电磁环境等等。这些外界环境因素会产生各种应力来影响电子设备的功能和性能，同时也会对组成电子设备的电子元器件的可靠性产生重要的影响，影响电子元器件可靠性的因素主要有：电应力、温度应力、机械应力、时间应力等。据资料介绍，超过55%的电子设备的失效形式是由温度过高引起的。[1]因此，对电子元器件的温度进行控制，提高可靠性显得尤为重要。
1 可靠性与温度的关系
温度对电子元器件可靠性的影響一是元器件结温超过允许温度，造成失效。二是由于组成元器件材料的热膨胀系数不同，元器件在受热膨胀或冷却收缩时会产生热应力，这种热应力会使金属化的陶瓷基板和热沉产生变形或开裂。元器件工作时承受的热应力越高失效率越高。因此，元器件的可靠性与温度有着直接的关系。元器件的失效率可以由以下Arrhenius方程表示。
F=Ae-Ea/KT
式中：F─失效率;
A─常数;
Ea─激活能（电子伏eV），经验值，根据失效机理确定;
K─玻尔兹曼常数（8.63×10-5eV/K）;
T─结温（K）。
上式的物理意义是，不同的失效机理所产生的失效用激活能这样一个参数来表达，但是，一个电子元器件可能同时存在一种或多种失效机理。因此，激活能是一个耦合的参数，工程上依据试验积累，一般选择0.65作为经验值。在此经验值的前提下，温度每升高10℃，失效率增大1倍。
2 元器件工作温度确定
从元器件的角度来讲，温度越低可靠性越高，但到一定的程度可靠性的提高将会变缓。从系统的角度，元器件的工作温度越高，冷却系统体积、重量、成本会更低。因此，如何科学地确定元器件的工作温度，需要综合考虑各方面的因素。一般情况下，应当根据使用环境和系统要求对元器件进行降额设计，使得元器件的工作温度在满足可靠性要求的前提下尽量高，降低对冷却系统的要求。
降额设计时，应首先根据设备应用平台和可靠性要求确定降额等级，降额有一个最佳范围，此时应力的降低对失效率有明显的降低。然后，根据元器件类型确定降额参数，集成电路的降额参数主要有电源电压、输入电压、输出电流、功率、最高结温等。对于大规模集成电路来说，主要是降低结温。对于这些参数应进行综合权衡，而不是孤立看待，另外，还要根据降额等级和降额参数确定降额因子，也就是确定元器件实际承受的应力与额定应力之比，作为元器件的选用依据。最后，还应根据得到的降额后的电参数来计算相应的结温，此温度值必须低于允许的最高结温才能满足温度的降额要求。
3 温度控制方法
电子元器件的温度不仅与自身的电气参数有关，还与其工作环境有着密切的关系。从设备的角度可采取的办法，一是在进行电路设计时进行降功耗设计，二是采取冷却措施，将元器件控制在允许的温度范围内。
电子元器件的典型功耗可用下式表示：
P=CV22f
式中：C─输入电容（F）;
V─信号正负峰值间电压摆动（V）;
V─开关频率（Hz）。
当元器件选定后，C 和V值已经确定，此时应该根据需要尽量选择较低的工作频率。
当完成电气设计，元器件选定后，其所能承受的最高温度也已明确。另外一项重要的工作就是采取热管理措施控制元器件的温度。热分析的基本方法主要有试验、类比和仿真分析。试验方法能够准确得到设备内部温度分布，但要有实验样机，若存在问题，需要对设计进行更改并重新制造样机。类比方法操作方便、简单易行，但是新研发的产品没有类比的基础，不能得出类比结果。仿真方法能够在设计阶段对产品进行热分析，直观地了解设备的温度分布。
仿真分析的基础是确定元器件的功耗，实际中，由于工作模式不同，元器件的功耗也会发生变化，不会在额定功耗下工作。一般整板的功耗可以测量，而单个元器件的功耗难以准确获得。目前普遍采用的办法是估算法，电气设计人员根据测得的整板功耗，结合电路设计情况、元器件工作模式以及类比来确定主要发热元器件的功耗。热仿真人员根据元器件热模型和结构模型进行仿真分析，分析结果满足要求后再进行详细结构设计。当样机生产完成后，还应对主要发热元器件进行热测试，验证仿真分析结论并对热模型进行修正，多次迭代后的热模型的准确性将会大大提高。
器件的功耗确定后，影响温度控制的主要因素就是散热措施。在满足可靠性的基础上应尽量采取简单的散热措施。自然散热是最简单的措施，但散热能力有限。采用风冷时应对换热结构进行优化，提高对流换热系数。若功耗很大，可采用液体冷却、喷雾冷却等方法，但也会使冷却系统变得复杂，成本提高，必须慎重采用。除了尝试将液体冷却、喷雾冷却系统小型化与器件集成外，更重要的是充分挖掘自然散热、风冷等传统方法的潜力。
4 结论
元器件温度控制对提高电子设备的可靠性具有重要的作用，其控制方法主要有以下几点：a.根据使用环境选择元器件;b.根据设备重要程度进行降额设计，确定元器件工作温度;c.在满足设备要求的情况下，进行降功耗设计，控制元器件的发热量;d.初步设计冷却系统，进行热仿真，得出关键元器件的温度，并在样机生产后进行测试验证;e.对设备进行综合分析，选择既能满足可靠性要求，成本又最低的设计方案。
参考文献：
[1]刘一兵.电子设备散热技术研究[J].电子工艺技术，2007，5 （28）：286-289.
[2]Charles A.Harper著，贾松良，等译.电子封装与互连手册（第4版）.北京：电子工业出版社，2009.
[3]国防科工委.GJB/Z 35-93元器件降额准则.
[4]Lasance C.Technical Data column，ElectronicsCooling，January 1997.
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