电子产品的热降解:多热才算太热?

电子行业正在意识到，降额策略并不是设计最佳电子产品的最佳方法。降额策略的广泛假设可能导致保守、昂贵的设计或设计不足可靠性。

更有效的方法是使用模拟和基于物理的分析来确保易受温度退化影响的组件的可靠性。例如，工程师可以使用Ansys Icepak执行热模拟而且Ansys夏洛克在这些模拟的基础上提供基于物理的可靠性分析。

磁性材料的热降解

首先，当铁氧体材料开始饱和时，目前的饱和曲线趋于模糊。饱和的磁性材料不会损坏磁体，但它会出现短路-导致电路故障。

第二个问题是,设计师有时错误一个磁性的最高温度评级等于居里温度(当一个磁铁的性质变化显著在100 C - 300 C或212 F - 527 F)。然而,磁心损耗(磁性变化)通常始于温度50度- 100 C (122 F - 212 F)。根据铁氧体设计、结构和冷却,磁场可以进入热失控,如果核心温度进入核心损失范围。

最后，热老化是粉铁芯的主要问题，它的成本更低，有时比铁氧体铁芯更合适。长期暴露在高温下会引起粘合剂的热老化。随着热老化的进行，涡流损耗明显增大。磁芯损耗的增加会导致磁芯温度升高和磁性元件失效。

发光二极管/光耦合器的热降解

电解电容器的热降解

电解电容器是设计人员在温度方面最需要关注的部件。这是因为电解电容器依靠液体进行功能操作。这些部件的寿命受到其液态电解质逐渐蒸发的限制。

工程师们需要确定这是否是一个最佳的方向
这些电解电容器

这种电解质的损失导致电容降低和等效串联电阻增加。由于这一过程的结果，所有电解电容器制造商提供额定寿命。

电容器对热的敏感性强调了高精度工具的重要性，如模拟，以确定电解电容器所经历的温度。

尽管如此，大多数公司还是使用经典的阿伦尼乌斯方程来推断制造商的评级。该方程对电容器的寿命进行了保守的预测，这是偶然的。

此外，电容器的实际寿命可以根据电路对元件参数变化的敏感性而变化。制造商对寿命的定义通常是电容降低20%。然而，在这一点上，等效串联电阻可能会增加2倍到5倍。根据电路的灵敏度，在电容器被认为处于故障模式之前，这可能会导致产品故障。

当设计人员将电解电容器放置在热元件附近时，标准寿命方程甚至可能不适用，因为整个电容器的不均匀温度分布会导致加速退化和压力增加，从而导致破裂。

陶瓷电容器的热降解

2%可能听起来不多，但一旦你在设计中考虑到所有的电容器，模拟听起来就像是解决问题的一个很好的投资。

薄膜电容器的热降解

薄膜电容器可以通过以下两种机制之一失效，这两种机制都对温度敏感:

• 局部放电
• 介电材料的脆化

不幸的是，没有任何公式可以有效地分离两种不同失效机制的影响。预测电容器寿命的典型方法是从标准IEC 60384-16耐久性测试中推断出来的。然而，模拟可以更准确地做出这些预测。

薄膜电容器的寿命对电压的变化最为敏感。设计人员愿意让薄膜电容器比电解电容器或陶瓷电容器稍微热一点，因为足够的电压降额可以延长大多数应用的寿命。

集成电路的热降解

工程师需要调查环境条件对集成电路的影响，以确保它们在预期的生命周期内不会磨损。

工程师可以评估集成电路的热可靠性
采用可靠性物理分析和失效机理模型

主要的担忧是导致磨损的亚微米工艺。分析影响失效机制和设备可靠性的热效应的能力对于降低系统退化的风险是必要的。

工程师可以使用可靠性物理分析、仿真和失效机制模型来评估集成电路。

焊点的热降解

然而，反复暴露在温度变化中会导致大块焊料的损坏。模拟可以用来模拟每一个额外的温度循环将如何累积损伤，导致裂缝和最终失效。

焊点的热机械疲劳失效是电子产品的主要磨损机制之一。这是因为不适当的设计、材料选择和环境会导致相对较短的故障时间。

寻找热降解的解决方案

工程师还可以使用这些信息来提供电源热性能的准确预测。

Ansys Sherlock自动设计分析软件可以帮助电源工程师了解什么时候组件过热。它将标准设计信息与全面的嵌入式数据库结合起来，以提供执行这些复杂计算所需的输入。

Sherlock的精简软件架构还确保了完成和显示这些结果所需的数千次计算在几分钟内完成。最重要的是，这种分析可以由设计团队在物理原型之前进行，从而减少预算和上市时间。

通过使用夏洛克，电源工程师现在可以确保他们的产品永远不会太热。如欲了解更多，请下载白皮书热管理解决方案:多热才算太热?

或者看看博客，Ansys收购DfR Solutions将有助于确保电子系统和组件的可靠性。