電子元件散熱問題的實(shí)驗(yàn)研究

熱設(shè)計(jì) 2022-01-16

0引言

隨著現(xiàn)代電子元件對可靠性要求?性能指標(biāo)?功率密度等進(jìn)一步的提高,電子元件的熱設(shè)計(jì)也越來越重要?根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)記載,電子設(shè)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(dǎo)體的影響最大?電子設(shè)備中大量運(yùn)用電子元件如集成運(yùn)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(jié),對溫度的變化非常敏感?P-N結(jié)的性能—溫度函數(shù)關(guān)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(dǎo)致運(yùn)放工作點(diǎn)發(fā)生漂移,晶體管的放大系數(shù)β發(fā)生變化并造成運(yùn)放增益不穩(wěn)定?所以要選擇合理的散熱和冷卻方式,設(shè)計(jì)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(lán)鳥手機(jī)(運(yùn)行時溫度過高)作為實(shí)驗(yàn)主體,對其進(jìn)行散熱實(shí)驗(yàn)?

1實(shí)驗(yàn)的建立

本實(shí)驗(yàn)的目的是基于人們對手機(jī)使用的安全性及舒適度,而韓國藍(lán)鳥這款手機(jī)在通話30分鐘以上?攝影?充電?電量低于50%的時候,智能手機(jī)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(shè)計(jì)以下實(shí)驗(yàn)裝置,測量并采用貼石墨烯的方法降低智能手機(jī)工作時的溫度?

實(shí)驗(yàn)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(jī)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(jì)用于測量室溫,保證整個實(shí)驗(yàn)過程室溫保持在±1℃的波動范圍之內(nèi),使實(shí)驗(yàn)的測量結(jié)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(jī)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(jié)果更加準(zhǔn)確?

根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康募耙笤O(shè)置以下四種實(shí)驗(yàn)工況:①不貼石墨烯散熱材料;②在手機(jī)后蓋上貼石墨烯散熱材料;③在智能手機(jī)屏蔽罩上貼石墨烯散熱材料;④在智能手機(jī)后蓋及屏蔽罩上貼石墨烯散熱材料?(本次實(shí)驗(yàn)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(fù)荷進(jìn)行實(shí)驗(yàn),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(shí)驗(yàn)方法是將未貼石墨烯的手機(jī)運(yùn)行一段時間后(智能手機(jī)的工作溫度基本上達(dá)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(jī)冷卻后貼附上石墨烯,并以相同的條件運(yùn)行手機(jī),相同的時間后采用紅外熱像儀拍攝發(fā)熱源溫度?

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求及實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn),并得到了各個工況下各種負(fù)荷的智能手機(jī)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(jī)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(chǎn)生的熱量迅速的傳送到周圍溫度較低的區(qū)域,這也體現(xiàn)出了其水平方向有很大傳熱系數(shù)的特點(diǎn)?不論是將石墨烯散熱材料貼在智能手機(jī)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(dāng)給智能手機(jī)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?yàn)槭謾C(jī)后蓋與屏蔽罩之間有一定間隙,空氣的導(dǎo)熱系數(shù)很小,不能把發(fā)熱源產(chǎn)生的熱量迅速傳送到周圍溫度較低的區(qū)域?