电子工艺设备的热设计

新技术应用子工业专用设蓄Equipment for Electronic Products ManufactPE电子工艺设备的热设计王朝伟,卫兵(西安捷盛电子技术有限责任公司,陕西西安710119)摘要:介绍了电子工艺设备热设计的基本要求、目的、传热的基本原则以及热量传递的基本方式。关键词:电子工艺设备;热设计;热环境;热特性中图分类号:TN605文献标识码:C文章编号:1004-4507(2007)10-006603Thermal Design of Electronic Technics EquipmentWANG Chao-wei, ZHANG Wei-bing(Xi'an Jiesheng Electronic Technology Co Ltd, Xi'an 710075, China)Abstract The text introduces the basic requirement, the purpose of thermal design, basic principle asell as the basic mode of the heat transfer of the electronic technics equipment.Keywords: Electronic Technics Equipment; Thermal Design; Thermal Environment; Thermal Charac-teristic由于电子产品日新月异的发展,电子工艺设备的可靠性。现在电子元器件的集成度越来越高,功已不是单纯的机械和电气技术知识的结合,其工作率越来越大,单位体积产生的热量越来越多,随着机理涉及到光、声、热、化、计算机、等离子物理等多热量的积累,温度的升高,电子元器件的可靠性受种学科和先进技术的综合应用,电子工艺设备已成到很大的影响,换言之,电子工艺设备的可靠性受为知识密集和技术密集的工艺性很强的产品。另一到很大的影响。因此热设计是电子工艺设备可靠性方面,电子工业的生产日益向着大批量生产的方向设计很重要的一部分内容。发展,对电子工艺设备又提出越来越高的自动化程度和在生产运行中的稳定可靠的要求。电子产品,1热设计及热设计目的特别是电子元器件产品生产,要靠电子工艺设备稳定可靠的正常运行来确保其高生产率和高成品率。利用热传递技术,降低发热元器件和部件本身因此电子工艺设备的可靠性问题是一项具有相当的温度,使整机内部温度升降到所要求的范围,以难度的高技术性问题。电子工艺设备的基础是电子提高设备抗温度应力的能力。这种可靠性设计称为元器件,设备的可靠性在很大程度上取决于元器件热设计中国煤化工收稿日期:200709-17CNMHG作者简介:王朝伟,男,助理工程师。主要从事半导体专用设备的开发和应用工作,主管并参与了多项半导体工艺设备的研制生产60(总第153期)D200EPE|,电子工业专用设苗ment for Electronic Products Manufacturin新技术应用热设计的目的是控制电子工艺设备内部所有放在机箱下部:发热量大的耐温能力强的部件应元器件的温度,使其在设备所处坏境条件下不超过放在机箱上部,元器件与机箱之间的距离最好大于规定的最高允许温度(最高允许温度的计算应以元35~40mm,以利于空气对流及散热器件的应力分析为基础,并且与设备可靠性的要求(6)对温度有特殊要求的温度敏感元器件或部以及分配给每一个元器件的失效率相一致),保证件应尽量使它们避开热源。必要时可采用隔离法将电器性能稳定,避免或减少电参数的温度漂移;降热源隔开,甚至可在结构上分开,各自独立成两部分。低元器件的基本失效率,提高设备的平均无故障工作时间(MTBF):减缓机械零部件氧化、老化、疲劳22热设计应满足设备预期工作的热环境的要求以及磨损等进程,从而延长整机的使用寿命电子工艺设备预期工作的热环境包括:(1)环境温度和压力(或高度)的极限值2热设计的基本要求(2)环境温度和压力(或高度)的变化率(3)太阳或周围其它物体的辐射热载荷;2.1热设计应满足设备可靠性的要求(4)可利用的热沉状况(包括:种类、温度、压设备的输入功率通过元器件转换成热能,并在力和湿度等);设备内部散发出来,使设备内温度升高。高温对大(5)冷却剂的种类、温度、压力和允许的压降多数元器件将产生严重的影响它会导致元器件的(对于有其它系统或设备提供冷却剂进行冷却的设失效,进而引起整个设备的失效。为了解决这个技备而言)。术问题,通过热设计的途径,采取使发热元器件散热冷却的措施来降低设备的温升,从而保证设备的23热设计应满足对冷却系统的限制要求可靠性。为此对热设计方案应着重考虑以下问题(1)对供冷却系统使用的电源的限制(交流或(1)热设计方案要满足元器件降额应用对设直流及功率);备内温度的要求。因此一般电子工艺设备的机内温(2)对强迫冷却设备的振动和噪音的限制;度应设法控制在45~65℃范围以内,对功率密度(3)对强迫空气冷却设备的空气出口温度的大一些的设备也不应超过50~70℃范围限制;(2)整机的散热冷却方案应与设备的功率密(4)对冷却系统的结构限制(包括安装条件、度大小相适应。一般原则是当功率密度低于122kWm3密封、体积和重量等)。时,可选择自然冷却方案;当超过122kWm3时,应选择强制风冷却方案;当超过43kW/m3时,则3热设计的基本问题应选择水冷却方案(3)对发热元器件采取散热措施时,要满足其电子工艺设备的有效输出功率比所需的输入对热阻的要求。一般原则是若发热元器件对热阻的功率小得多,而这部分多余的功率则转化为热而耗要求大于30℃N时,可不必采用散热措施;当对散掉。随着电子技术的发展电子元器件和设备日热阻的要求在2~30℃w时,可采用散热器散热:趋小型化,使得设备的体积功率密度大大增加。因当对热阻的要求在005-2cw时,则应采用轴此,对电子工艺设备必须配置冷却系统(包括自然流风机强制风冷散热等;冷却),在热源至热沉(外部环境)之间提供一条低(4)机箱设计方案要满足设备散热冷却方案热阻通路,保证热量顺利传递出去。的要求。总的要求是机箱结构通风散热良好,便于冷热空气交换,迅速散发机内所产生的热量V凵中国煤化工(5)对部件和元器件的布置要着眼于散热和CNMHG降温。一般原则是发热量轻微或不发热的元器件应凡有温差的地方就有热量的传递。热量传递的20(总第153期)⑥新技术应用甲工皿有用设面。EPE2个基本规律是:热量从高温区流向低温区;高温生的热交换过程,称为对流换热。由流体冷热各部区发出的热量必定等于低温区吸收的热量。分的密度不同所引起的对流称为自然对流。若流体热量的传递过程可区分为稳定过程和不稳定的运动由外力(泵、风机等)引起,则称为强迫对流。过程两大类:凡是物体中各点温度不随时间而变化对流换热可用牛顿冷却公式计算:的热传递过程称为稳定热传递过程:反之称为不稳φ=hA(tu-t)定过程。式中:h。为对流换热系数:传热的基本计算公式为:A为传热面积;=KA△t(1)t为热表面温度式中:φ为热流量;攻为冷却流体温度K为总传热系数A为传热面积4.3辐射△t为热流体与冷流体之间的温差物体以电磁波形式传递能量的过程称为热辐热量的传递有3种基本方式:导热、对流和辐射。辐射能在真空中传递能量,且有能量形式的转射。它们可以单独出现,也可能2种或3种形式同换,即热能转换为辐射能及从辐射能转换成热能。时出现。任何物体的辐射能力表示为:φ=cAoT4(4)4.1导热式中:E物体的黑度利用热传导系数较大的材料作热导体,将热量A辐射表面积由高温端传到低温端。因物体的导热是由分子、原σ斯蒂芬一玻尔兹常数567×103w(m2…K4)子或自由电子相互碰撞所引起,所以导热可以在固T为物体表面的热力学温度。体、液体和气体3种物态中进行。气体导热是由气体分子不规则运动时相互碰撞的结果。金属导体中5结束语的导热主要靠自由电子的运动来完成。非导电固体中的导热是通过晶格结构的振动实现的。液体中的综上所述,在设计和应用电子工艺设备时,应熟导热机理主要靠弹性波的作用。悉和掌握与热设计相关的标准;确定可以利用的冷导热基本定律是傅里叶定律:在纯导热中单位时却技术和限制条件;对每个电子元器件进行应力分间内通过给定而积的热流量,正比于该地垂直于导析,并根据设备可靠性及分配给每个元器件的失效热方向的截面面积及其温度变化率。其计算公式为:率确定每个元器件的最高使用温度。另外,热设计φ=-AA2)的同时还应考虑可靠性、安全性维修性及电磁兼容性设计,这就可大大提高电子工艺设备的可靠性。式中:φ为热流量;λ为导热系数;参考文献A为传热面积-为x方向的温度变化率[]刘玉岭,檀柏梅张楷亮微电子技术工程一材料、工艺与测试[M]北京:电子工业出版社,200410负号表示热量传递的方向与温度梯度的方向相反。(2]削诗唐,钱祖权,华泉宝电子工艺设备可靠性讲义M河北:电子工业部元器件管理局,19854.2对流3]国科学技术T业员会编由子设备可华性热设计对流是指流体各部分之间发生相对位移吋所中国煤化工行部,19210引起的热量传递过程。对流仅发生在流体中,且必[4]CNMHO科学原理与T程技术然伴随着有导热现象。流体流过某物体表面时所发M]北京:电子工业出版社,20068(总第153期)DA207