熱管理專欄 — 如何做好「熱管理」?

發表日期:2014/05/27    本文瀏覽次數:3,027次

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1.   如何做好「熱管理」﹖

「熱」是電子產品失效模式第一順位,其決定了產品壽命及性能,所以「熱管理」是產品開發重點課題之一。thermal control-1

 熱管理包含「產品功率消耗管控、產品零件的操作溫度、熱傳的方向性、整體產品的壽命、產品噪音(若有強制對流)」等。故「熱傳管理」並非只是機構單位做熱模擬而已,必須整合產品開發流程與「熱」相關價值活動,例如「電路設計消耗功率管理、印刷電路板零件擺放熱均勻管理、散熱零件選擇、熱量測設備/手法/意義/對策、可靠度管理、噪音管控」等。下列綱要是「熱管理」必備的理論與實務的基礎。

1.) 熱管理宏觀概念:

「熱」是電子產品失效模式第一順位,其除了影響產品壽命、售後維修成本之外,另外「熱」會造成零件參數飄移,影響產品性能。下列是產品開發流程建議步驟:

Step 1:提升電路效率,降低產品瓦特數消耗,進而降低熱的產生。

Step 2:選擇符合產品規範的零件,以滿足「熱」相關的要求。

Step 3:印刷電路板的零件擺放、鋪銅、走線,以確保熱均勻,透過PCB散熱。

Step 4:選用熱管理零件及熱管理手法,控制產品零件操作溫度及熱傳的方向性。

Step 5:「熱量測設備」基礎理論、手法、對策

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2.) 熱傳基礎概念:

熱傳基礎包含「熱阻、傳導、對流、輻射」,由此對應實際產品相關參數及零件。例如:

定義 範例
熱阻  熱傳導等效電路電流一維概念,熱阻可等效為電阻。  Junction To Case
傳導  透過固體或者靜態空氣,由電子的碰撞,把熱從溫度高的一端,傳到溫度低的一端。  散熱片
對流  透過流動的液體或者氣體,分子帶著熱,把熱從溫度高的一端,傳到溫度低的一端。  強制對流:Fan & Blower
輻射  當物體大於絕對溫度,則熱會透過電磁波傳遞,把熱從溫度高的一端,傳到溫度低的一端。  表面處裡

個別的散熱零件的架構、材料、製造、特性及其是否有負面的影響也都是重點。

3.) 系統設計熱管理

如何降低產品功率消耗、降低產品自行的溫升,是熱管理的源頭。Chip Set選擇、Open Frame Power Supple是產品主要的熱源。但因為Chip Set及Open Frame Power Supple的選用存在公司策略因素,故一般硬體研發可以優化的標的物為「提升直流電源轉換效率」。另外零件選用、印刷電路板規劃..等,第一時間決定產品的溫升、壽命等參數。

Step 1:產品各電流消耗功率預估 (Power Estimation)

Step 2:決定直流電源轉換架構 (Power solution & Power tree)

Step 3:直流電源轉換電路設計及零件選用 (影響效率、溫升、零件壽命源頭)

Step 4:印刷電路板零件擺放及鋪銅走線 (產品零件熱均勻、透過銅箔適當散熱)

Step 5:選擇散熱元件組合(散熱片、散熱墊、熱管、風扇、熱感測器與風扇轉速控制、擋板…)

Step 6:EVT階段熱量測:高低溫量測(Thermal Recorder & 紅外線量測)、4-Corner…

Step 7:DVT階段熱量測:熱循環、熱衝擊、高加速壽命測試 (熱加振盪)、風扇轉速與噪音

4.) 特殊案例

因為通常「零件操作溫度」與「壽命」成反比,所以一般熱管理期望操作在相對低溫下,以追求較高的零件壽命,但過低溫度也會造成產品誤動作,且部分零件期望操作在穩定的高溫。

案例1:液態電解電容可分為水系與無水系,一般水系電容在低溫 (Ex: -40℃) 會造成電解液體凝膠化,低溫化學反應遲鈍,相對電容量低於規格,以至於無法開機。

案例2:一般常見時脈(Clock)的在石英晶體(X’TAL),大多採用AT-Cut,此石英切割方式,期望操作溫度以常溫25℃上下靠近,則時脈(Clock)的誤差越低。但部分基地台高端的時脈(Clock)屬於OCXO,當規格在ppb等級的零件,則採用SC-Cut,此切割方式反而期望零件能恆溫操作在高溫95℃,此溫度下的零件變化相對較平緩,故能得到更高的精準度。

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5.) 高溫熱對零件的負面的影響

就以液態鋁捲繞電容溫度每降低10℃,則產品壽命為原來的2倍長,當溫度每降低20℃,則產品壽命為原來的4倍長。若以固態鋁捲繞導電高分子電容為例,當溫度每降低20℃,則產品壽命為原來的10倍長,當然最上限會被膠蓋(Rubber)老化給侷限住。所以慎選零件對產品整體的壽命影響重大。

6.) 散熱零件對產品負面的影響

在不得已的情況下,多了散熱零件除了提高材料成本外,另外依散熱零件屬性不同,對產品可能造成其他負面影響。例如散熱片可能衍生EMI問題、風扇衍生噪音、灰塵及風扇本身壽命問題。

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