基于热分析的电子元器件可靠性探讨
摘要：介绍了温度对电子设备中一些常见元器件的性能影响。在一种车载电子设备的热设计过程中，根据实测结果分析了CPU、电源模块和外围电路元器件的温度特性，并结合热分析软件进行热优化设计，提高了系统的可靠性。
1 引言
对于电子设备来说，影响其可靠性指标的一个重要因素就是元器件的工作温度。根据相关文献记载，电子设备的失效率有55%是由温度超过电子元件的规定值引起的。温度对各种类型元器件的性能影响是不同的，在常见的元器件中，温度对于半导体器件的影响最大。电子设备中大量应用的半导体器件如集成运放、TTL逻辑芯片、各种电源稳压芯片等，其基本组成单元都是P-N结，对温度变化非常敏感。P-N结的性能-温度函数关系见式（1）：
式中：Ico —温度T℃时的反向漏电流；
Icor —温度TR℃时的反向漏电流；
由式（1）可以看出，温度每升高10℃，Ico 将增加一倍。这种随温度的变化，将直接导致运放工作点发生漂移，晶体管的电流放大系数β发生变化并造成运放增益不稳定。温度与允许功耗也存在以下的函数关系：
式中：Pcm—最大允许功耗； Tjm—最高允许结温； T—环境温度；Rt —热阻；
由式（2）可以看出，温升将使晶体管的最大允许功耗下降。另外，环境温度升高将直接引起结温升高，从而引起最高工作电压下降。温度过高，会使P-N结击穿损坏。由于P-N结正向压降受温度影响较大，所以如TTL、HTL等双极型半导体集成芯片的电压传输特性和抗干扰能力也与温度有非常密切的关系。
温度对阻容元件的性能参数也有一定的影响。温度升高时，会造成电阻内热噪声加剧，阻值偏离标称值，允许耗散功率下降等。对电容器的影响是使电容量和介质损耗角（功率因素）等参数发生变化，从而导致电路中的阻容时间常数等参数改变，影响整个电子设备的可靠性。
为了减少温度对元器件的性能影响，在电子设备的前期热设计过程中，必须对CPU、电源和热敏感元件的温度-性能关系进行仔细分析，并针对发现的问题采取相应措施。下面，就某种车载电子设备热设计过程中出现的一些问题，结合热分析软件ANSYS，对设备中几种典型的电子元器件进行了性能测试，提出一种具有实用价值的电子元器件可靠性分析方法。
2 对电子元器件温度特性的实验测试
该型车载电子设备设计时要求体积紧凑、工作温度范围为-30℃~55℃，并且要求在持续高温环境下工作可靠稳定。根据国军标《**电子设备环境试验方法》中对电子设备高低温试验所作的详细说明和规定，并结合该型电子设备的使用环境温度范围，我们对其做了24h环境温度耐受试验，并在55℃环境温度下对其元器件温度分布和温度特性作了实测，下面给出几项相关的试验数据：
