《電子設(shè)備冷卻技術(shù)(第2版)》由戴夫·S.斯坦伯格所著。應(yīng)用廣泛的電子設(shè)備的功率密度越來越大,而其體積卻越來越小。因此,努力降低設(shè)備中元器件的工作溫度以及各種元件結(jié)合部位的溫度,一直是提高產(chǎn)品可靠性設(shè)計工作的重點!峨娮釉O(shè)備冷卻技術(shù)(第2版)》闡述了高溫和溫度循環(huán)對電子設(shè)備元件與電路板和機箱的力、應(yīng)力及疲勞壽命的影響。其內(nèi)容包括電子設(shè)備機箱結(jié)構(gòu)和電路板的冷卻設(shè)計、元器件安裝和冷卻、強迫空氣冷卻、焊點和電鍍通孔的熱應(yīng)力分析、熱循環(huán)環(huán)境的疲勞壽命預(yù)計、電子系統(tǒng)瞬態(tài)冷卻計算、熱管和液體冷卻系統(tǒng)、大型安裝架和機柜的有效冷卻,以及有限元數(shù)學(xué)分析方法的應(yīng)用。
《電子設(shè)備冷卻技術(shù)(第2版)》內(nèi)容深入淺出,點面結(jié)合,其設(shè)計方法的基本應(yīng)用范例較多,工程實用性很強,是一本既可作為高等院校的教學(xué)參考書,又可供廣大工程技術(shù)人員設(shè)計參考的工具書。
作者:(美國)戴夫·S.斯坦伯格(Dave S.Steinberg) 譯者:李明鎖 丁其伯
符號表
第1章冷卻要求的評價
1.1 熱源
1.2熱傳輸
1.3穩(wěn)態(tài)熱傳遞
1.4瞬態(tài)熱傳遞
1.5 飛機、導(dǎo)彈、衛(wèi)星和航天飛機用電子設(shè)備
1.6船舶和潛艇用電子設(shè)備
1.7通信系統(tǒng)和地面保障系統(tǒng)用電子設(shè)備
1.8 個人計算機、微型計算機和微處理器
1.9 電子設(shè)備冷卻規(guī)范
1.10功耗的規(guī)定
1.11尺寸單位和換算系數(shù)
第2章電子機架的設(shè)計
2.1成形板金屬電子組件
2.2帶整體式冷板的浸焊機箱
2.3 帶冷卻翅片的石膏模和熔模鑄造
2.4壓模鑄造機箱
2.5大型砂鑄
2.6大型機柜的擠壓成形截面
2.7 電子機箱中的濕度考慮
2.8敷形涂覆
2.9密封電子機箱
2.10標(biāo)準(zhǔn)電子機箱尺寸
第3章機箱和電路板的傳導(dǎo)冷卻
3.1穩(wěn)態(tài)傳導(dǎo)的集中熱源
3.2安裝在支架上的電子元件
3.3例題——安裝在支架上的晶體管
3.4穩(wěn)態(tài)傳導(dǎo)的均勻分布的熱源
3.5例題——PCB上集成電路的冷卻
3.6帶鋁散熱芯體的電路板
3.7例題——沿PCB散熱板的溫升
3.8如何避免帶金屬散熱條的PCB的翹曲
3.9 帶不均勻薄壁截面的機箱
3.10例題——沿不均勻箱壁的熱流動
3.11 二維模擬電阻網(wǎng)絡(luò)
3.12例題——在電源散熱器上的二維傳導(dǎo)
3.13 空氣接合面兩邊的熱傳導(dǎo)
3.14例題——螺接接合面兩邊的溫升
3.15例題——小氣隙兩邊的溫升
3.16接合面兩邊在高空的熱傳導(dǎo)
3.17高空氣體釋放
3.18電路板邊緣導(dǎo)向件
3.19例題——PCB邊緣導(dǎo)向件兩邊的溫升
3.20通過金屬蓋板的熱傳導(dǎo)
3.21輻射狀熱流
3.22例題——通過圓柱殼體的溫升
第4章電子元件的安裝和冷卻技術(shù)
4.1 不同類型的電子元件
4.2元件在PCB上的安裝
4.3例題——PCB插件上的集成電路熱點
4.4如何安裝大功率元件
4.5例題——將大功率晶體管安裝在散熱板上
4.6大功率元件的電氣絕緣
4.7例題——將晶體管安裝在散熱支架上
4.8元件引線的應(yīng)變消除彎角
第5章自然對流和輻射冷卻實用指南
5.1 自然對流如何求取
5.2垂直板的自然對流
5.3水平板的自然對流
5.4通過自然對流傳遞的熱量
5.5例題——垂直板自然對流
5.6 自然對流條件下的湍流
5.7例題——電子機箱的熱損耗
5.8 自然對流冷卻的翅片表面
5.9例題——電子機箱的冷卻翅片
5.10 自然對流模擬熱阻網(wǎng)絡(luò)
5.11 PCB的自然對流冷卻
5.12 密封氣室的自然對流系數(shù)
5.13例題——貼近箱壁的PCB
5.14 自然對流的高空效應(yīng)
5.15例題——PCB在高空的冷卻
5.16 電子設(shè)備的輻射冷卻
5.17輻射視角因數(shù)
5.18例題——混合電路的輻射熱傳遞
5.19例題——雙場效應(yīng)晶體管開關(guān)的連接溫度
5.20太空的輻射熱傳遞
5.21 太空中a/e對溫度的影響
5.22例題——電子機箱在太空的溫度
5.23 簡化的輻射熱傳遞方程
5.24例題——電子機箱的輻射熱損失
5.25對流和輻射熱傳遞的綜合
5.26例題——飛機座艙內(nèi)的電子機箱
5.27可靠性預(yù)計用的等效環(huán)境溫度
5.28例題——RC07電阻器的等效環(huán)境溫度
5.29外表面有效輻射強度的增強
第6章電子設(shè)備的強迫空氣冷卻
6.1 強迫冷卻方法
6.2風(fēng)扇冷卻氣流的方向
6.3靜壓和速壓
6.4用速位差表示的損失
6.5例題——風(fēng)扇入口的氣流損失
6.6 電子機箱氣流流阻曲線的建立
6.7例題——風(fēng)扇冷卻的電子機箱
6.8 空·心PCB
6.9電子設(shè)備的空氣冷卻風(fēng)扇
6.10空氣過濾網(wǎng)
6.11斷路開關(guān)
6.12靜壓損失表圖
6.13高空條件
6.14例題——在30000ft高空的風(fēng)扇冷卻機箱
6.15其他的對流系數(shù)
6.16例題——T0—5晶體管的冷卻
6.17 外部氣源的調(diào)節(jié)冷卻空氣
6.18例題——冷卻氣流曲線的繪制
6.19不同高度條件下的靜壓損失
6.20例題——在65000ft高空的靜壓降
6.21 不同高度條件下的總壓降
6.22例題——通過電子機箱的總壓損失
6.23翅片冷板和熱交換器
6.24 多翅片熱交換器中的壓力損失
6.25 翅片效率因子
6.26例題——帶翅片熱交換器空心PCB
6.27不希望有的氣流反向
6.28迎面吹風(fēng)冷卻
6.29例題——大功率機柜的迎面吹風(fēng)冷卻
6.30 高度對熱交換器性能的影響
6.31 例題——不同高度和功率條件的熱交換器溫度
第7章引線、焊點和電鍍通孔的熱應(yīng)力
7.1 引言
7.2航空電子完整性大綱
7.3電子設(shè)備的熱脹系數(shù)
7.4例題——表面安裝變壓器引線和焊點中的熱循環(huán)應(yīng)力
7.5 熱膨脹力和熱膨脹應(yīng)力的化簡
7.6通孔安裝的X—Y熱膨脹應(yīng)力
7.7例題——通孔安裝電阻的熱應(yīng)力
7.8 小型軸向引線元件的通孔安裝
7.9例題——小型玻璃二極管中誘發(fā)的軸向力
7.10 PCB抗彎剛度對引線應(yīng)力的影響
7.11 例題——如何減小PCB彎曲產(chǎn)生的引線力
7.12 Z軸膨脹對電鍍通孔可靠性的影響
7.13例題——銅電鍍通孔中的熱膨脹應(yīng)力
7.14芯片載體的表面安裝技術(shù)
7.15例題——表面安裝陶瓷芯片載體中的焊點應(yīng)力
7.16芯片載體引線中的彎曲應(yīng)力
7.17熱膨脹引起的DIP引線的短路效應(yīng)
7.18 2軸熱膨脹對元件引線和通孔安裝元件焊點的影響
7.19例題——在PCB上的通孔安裝變壓器
7.20焊點剪切應(yīng)力的減小
第8章在熱循環(huán)和振動環(huán)境中疲勞壽命的預(yù)計
8.1疲勞的產(chǎn)生
8.2焊接的物理特性
8.3緩慢的循環(huán)疲勞和快速的循環(huán)疲勞
8.4熱循環(huán)疲勞壽命的估算
8.5例題——表面安裝變壓器焊點的疲勞壽命
8.6 引線和焊點中的振動疲勞
8.7 PCB的諧振頻率
8.8例題——PCB插板的諧振頻率
8.9希望的正弦振動的PCB諧振頻率
8.10例題——希望的正弦振動的PCB的諧振頻率
8.11 隨機振動疲勞壽命
8.12例題——希望的隨機振動的PCB諧振頻率
8.13 米勒累積損傷疲勞比
8.14例題——在幾種不同的熱循環(huán)環(huán)境中累積的損傷
8.15在綜合環(huán)境中工作的電子系統(tǒng)
8.16例題——在振動和熱循環(huán)環(huán)境中累積的疲勞
8.17 電源元件
8.18例題——裝在PCB上的電源變壓器的隨機振動疲勞和熱循環(huán)疲勞的綜合
8.19在低溫下振動和熱循環(huán)的疊加
8.20表面安裝LCCC器件的熱循環(huán)疲勞壽命
8.21 例題——熱循環(huán)的LCCC焊點疲勞
第9章電子系統(tǒng)的瞬態(tài)冷卻
9.1 簡單的絕熱系統(tǒng)
9.2例題——變壓器的瞬變溫升
9.3熱容量
9.4時間常數(shù)
9.5加熱循環(huán)瞬變溫升
9.6例題——散熱器上的晶體管
9.7 不同時間常數(shù)的溫升
9.8例題——晶體管達(dá)到其穩(wěn)定溫度95%所需的時間
9.9冷卻周期瞬變溫度變化
9.10例題——晶體管和散熱器冷卻
9.11 溫度循環(huán)試驗的瞬態(tài)分析
9.12例題——溫度循環(huán)試驗中的電子機箱
9.13例題——降低過熱點溫度的方法
9.14例題——對PCB上放大器的瞬態(tài)分析
第10章急冷作業(yè)的特殊應(yīng)用
10.1新技術(shù)——要注意的方法
……
第11章大型安裝架和機柜的有效冷卻
第12章建立數(shù)學(xué)模型的有限元方法
第13章環(huán)境應(yīng)力篩選技術(shù)
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雙面Mylar膠帶用于將元件固定在PCB上使其工作良好。但是,清洗溶劑通常用于清除溶解有Mylar黏結(jié)劑的層壓板上的焊劑,并將它們洗掉。至少有一半黏結(jié)劑可以用清洗劑清除掉。應(yīng)對使用雙面Mylar膠帶黏結(jié)的元件進(jìn)行推壓試驗,以證實它們大多數(shù)不能被清洗掉。在垂直方向(垂直于PCB),驗收所要求的最小推壓力至少應(yīng)為15psi。這就意味著尺寸為1 in×1 in的元件應(yīng)能經(jīng)受151bf的垂直于PCB板面直接垂直推力。
優(yōu)質(zhì)的電鍍通孔應(yīng)用于裝在通過傳導(dǎo)冷卻的PCB板上的高功耗元件本體的下面。電鍍通孔是一個導(dǎo)熱性能優(yōu)良的很小的圓筒環(huán)。在許多情況下,它可以使通過PCB層壓板的熱阻降低多達(dá)25%。較低的熱阻就意味著較低的元件殼體溫度。
低功耗元件可能并不需要任何類型的將元件固定到PCB上的黏結(jié)劑。如果氣隙的高度可以控制在0.005in以下,在元件下面利用氣隙也許是可能的。表4—2中的試驗數(shù)據(jù)表明,在海平面條件下,0.005in(包括0.008in厚的環(huán)氧玻璃纖維層壓板)厚的氣隙兩邊的熱阻是60℃/W。
當(dāng)尺寸為1/4in×1/4in的集成電路的功耗只有0.10W時,0.005in(以及0.008in厚的層壓板)的氣隙之間的溫升將只有6℃左右。如果這是可以接受的,也許可以明顯節(jié)省制造這些PCB的費用。
對于高空或太空應(yīng)用場合,不能采用元件下有氣隙的PCB。在真空中氣隙兩邊不存在熱傳導(dǎo)。
4.3 例題——PCB插件上的集成電路熱點
因為系統(tǒng)必須在100000ft(30480m)的高度上工作,帶有許多插入式PCB的電子機架被螺接到液冷冷板上。因為自然對流在高空急劇地降低,只有傳導(dǎo)冷卻才是可靠的冷卻方法。另外,在同一個設(shè)備艙,還有其他熱的電子機箱會削弱有效的輻射冷卻。PCB上裝有許多扁平封裝集成電路。這些電路將均勻布放,每塊電路板的總功耗為8W,如圖4—3所示。元件裝在中間有鋁熱沉芯的PCB的兩邊。最大允許元件殼體溫度為212°F(100℃)。確定擬定的設(shè)計是令人滿意的。
解:通過計算沿各分段元件到液冷冷板熱沉的熱流通道的溫升,可以確定扁平封裝集成電路的熱點殼體溫度。熱液通道分為如下5個獨立的分段:
△t1=從集成電路(IC)外殼通過0.008in(0.020cm)厚的PCB層壓板,再加上IC殼體下0.005in(0.013cm)厚的氣隙的溫升;
△t2=從電路板上鋁熱沉芯的中心通過邊緣導(dǎo)向件到熱沉之間的溫升;
△t3=在100000ft高度上,從熱沉芯到機架側(cè)壁的板邊導(dǎo)向件(包括從導(dǎo)向件到壁板的層壓接合面)之間的溫升;
△t4=沿機架側(cè)壁降溫的板邊導(dǎo)向件到機架底部的溫升;
△t5=在100000ft高度上,從機架底部到液冷冷板的螺接接合面之間的溫升。