Современная электроника №2/2023

ИНЖЕНЕРНЫЕ РЕШЕНИЯ 54 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА • № 2 / 2023 Причины температурного перегрева электронных компонентов и пути инженерных решений Ошибки в конструкторских и инженерных расчётах могут стать причиной температурного перегрева РЭА , что приводит к ненадёжности и отказам устройств . Поэтому разработчики рекомендуют разрабатывать корпус устройства с запасом свободной площади и габаритов , чтобы увеличить тепловой поток и уменьшить тепловое сопротивление . В статье рассматриваются факторы влияния « внутренней » и внешней температуры на надёжность РЭА и способы уменьшения перегрева электронных компонентов . Антти Эс Независимо от причины перегрева основным и главным следствием пере - грева электронного компонента являет - ся его повреждение . Повреждение , отка - зы в работе электронных элементов , как правило , – потенциальное и прямое следствие температурного перегрева . Современные устройства с микропро - цессорами склонны к перегреву в свя - зи с тем , что физические размеры ком - понентов и корпусов стали меньше . Это касается как дискретных элементов , так и интегрированных схем , и в особенно - сти , если компонент по своим расчёт - ным характеристикам не выдерживает чрезмерного нагрева корпуса . Перегрев может быть результатом прямых и кос - венных , а также внутренних и внешних воздействий на электронные компонен - ты . Это обусловлено различными фак - торами . Тенденция к уменьшению раз - меров корпусов , связанная с прогрессом в строении кристаллов , обозначившим - ся ещё в ХХ веке , – одна из таких при - чин , но не единственная . Влияние конструктивных характеристик электронных компонентов на их надёжность Существует взаимосвязь между электрическими и конструктивными характеристиками , включая расчётный срок службы электронного компонен - та с диапазоном рабочих температур , поскольку большинство электронных компонентов при воздействии элек - трического тока выделяют тепло . В экс - периментах [2] наблюдались эффекты перегрева одноэлектронного транзи - стора SET после воздействия условно большим , приближённым к критич - ному , током в электрической цепи коммутации ; корпус SET нагревался , но непропорционально , и был сделан вывод о том , что температура централь - ного электрода SET остаётся конечной , поскольку детерминированный током электрон преодолевает барьер из - за накопленной потенциальной энергии . Это туннельный эффект . Так темпера - турный нагрев вызывает циклическое взаимодействие между электронами . Чем больше электронов движется в участке полупроводника , к примеру , тон - кой кремниевой пластине с тысячами кристаллов , тем больше электронов рас - сеивает фононы – квазичастицы , квант энергии согласованного колебательно - го движения атомов твёрдого тела , обра - зующих идеальную кристаллическую решётку . Такое рассеяние препятствует уносу тепла фононами . Отсюда – выделе - ние тепла . В насыщенном компонента - ми электронном устройстве увеличива - ется восприимчивость к перегреву ввиду снижения вытяжки теплового потока . Нагрев отдельного электронного компонента происходит под воздей - ствием следующих факторов : ● тепловое сопротивление между по - лупроводниковым кристаллом и кор - пусом прибора ; ● тепловое сопротивление между кор - пусом прибора и охладителем ; ● тепловое сопротивление между ох - ладителем и окружающей средой . Так , возникновение и движение теплового потока через полупроводни - ковый кристалл в окружающую среду вызывает изменение температуры кор - пуса элемента ; на поверхности корпуса элемента и на кристалле будет разни - ца температур . На микроуровне нагрев вызывает деградацию , а также дефор - мацию материала . Микротрещины как результат расширения материала способствуют изменению физических свойств материала из - за воздействия тепла . Это обстоятельство важно и для проводящих ток материалов , таких как соединительные дорожки на печатной плате . На макроуровне влияние перегре - ва отражается отказом РЭА ввиду дегра - дации составляющих их компонентов , цикла причинно - следственных связей и сопутствующих эффектов . Воздействие перегрева на электронные компоненты как на микроуровне , так и на макроу - ровне увеличивает риск неисправности РЭА . Но каковы методы предотвраще - ния перегрева или уменьшения негатив - ных последствий чрезмерного нагрева ? Некорректно рассчитанное значение рассеяния мощности электронного ком - понента может провоцировать нагрев даже у конденсаторов , а на микроуровне эффект проявляется в местах , где име - ет значение изменение ёмкости участ - ков передачи тока ( энергии ). Так , услов - но чрезмерное рассеивание мощности приводит к повышению температуры на участке вокруг элемента , что приво - дит к превышению ёмкости переходов полупроводников , изменяется коэффи - циент передачи тока и быстродействие . Другая причина – ток утечки . Относи - тельно высокий ток утечки способствует повышению температуры конденсато - ра , как и старение ( со временем ) мате - риалов , из которых изготовлен элемент РЭА ; оксидный слой изменяется со вре - менем в том числе под воздействием температуры . Воздействие критичного уровня тока и напряжения на обклад - ках конденсатора приводит к нагреву элемента . Отчасти поэтому опытный мастер в некоторых простых ситуациях может выявить неисправный элемент ( блок ) или электрическую цепь , в кото - рой он взаимодействует , тактильным и визуальным осмотром . Обычно силь - но нагревающийся дискретный элемент функционирует вне рабочего режима .