热对策的基础知识(2)~需要采取热对策的背景~

2020-10-26

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热对策的基础知识(2)~需要采取热对策的背景~

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前言

热对策是用来确保设备、系统的特性、寿命以及安全性的重要研究事项。“热对策的基础知识”中,对为采取热对策的基础知识,将分3次即“热的基础知识”、“需要采取热对策的背景”、“热设计和热对策”进行解说。本次是第2次,即“需要采取热对策的背景”。

日趋热门的热对策的重要性

虽然早在过去就需要采取热对策,但是近年来伴随设备、系统的小型化和高性能化,其重要性愈来愈突出。
下面列举几个事例。
  • 设备的高密度安装化导致散热面积和散热路径的缩小。
  • 同一性能的零部件小型化导致热电阻的上升。
  • 半导体元件的处理速度提升导致发热量的增加。
  • 半导体集成电路的微细化(集成度提升)导致发热量的增加。
由此可见,在现在的电子设备设计中,热设计具有与电气设计同等程度的重要性。

热对零部件和设备造成的影响

零部件和设备高温后会不好,大家可能都会感觉到。这里列出当发热后高温、以及曝露于附近的发热体高温下会引发什么样的问题。可将热引发的问题分类为“功能方面的问题”、“机械方面的问题”、“对人方面的问题”。

熱が部品や機器に与える影響img

功能方面的问题

电子零部件基本上是一旦动作温度升高就会导致寿命缩短。譬如,铝电解电容器,如果温度上升10℃,寿命就会缩短一半,这是已知的事实。这是因为电容器的电解液向封口橡胶扩散的速度会因热而加速。结果会导致静电电容大大下降,由于电路所需的静电电容不足,导致在电路动作中发生故障。
下面的图形所示为在105℃下保证工作2,000小时的铝电解电容器的动作温度与推算寿命的示例。如图形所示,温度升高时推算寿命缩短,如前所述,铝电解电容器在温度上升10℃时,推算寿命就会缩短一半。
由此可见,热会对零部件的功能产生影响,导致其寿命的缩短,因而是对可靠性产生影响的一个重要因素。

電解液が封口ゴムを徐々に浸透する画像 img105°C2000時間保証品による推定寿命のグラフ img

机械方面的问题

在由多个部件材料构成的构造物,譬如电子零部件或模块、安装有这些零部件或模块的印刷电路板等上,会因温度上升而产生热应力。这是因为各部件材料的热膨胀率不同,单纯地将热膨胀率的差值大的部件材料组合起来,热应力就会增大。因常温(或者低温)状态和高温状态的反复,也即热应力的反复会产生热疲劳,引发机械方面的劣化或破坏。热会成为机械应力并引发零部件的劣化或故障,从而影响到可靠性。

熱が機械的ストレスとなり部品の劣化や故障を誘発する画像img

对人方面的问题

人一旦接触到处于高温的物品就会被烫伤(烧伤)。此外,近年来低温烫伤成了问题,由于多半情况下是在没有疼痛的不知不觉中演进的,因而常常是比通常的烫伤症状更为严重的烫伤。

就拿我们身边的例子来说,除了被炉、暖水袋、暖宝宝外,还有报告指出了智能手机等便携式信息设备的事例。有将智能手机长时间放在口袋,结果因智能手机的发热而导致低温烫伤的例子。即使是44℃这一稍热的类似温泉水的温度,如果6个小时以上作用于皮肤,也有可能引起低温烫伤,这一点已得到确认。如上所述,人接触或携带的设备受热,包含有引发人体安全性的问题。此外,还会因发热而起火,并导致火灾。

导致烫伤的温度与时间的关系
やけどの原因となる温度と時間の関係を表したグラフ,导致烫伤的温度与时间的关系img

热对社会和企业活动产生的影响

前面所述的热引发的功能方面的问题、机械方面的问题、对人方面的问题所产生的影响,并不只是针对零部件和产品。譬如,家电,有可能导致人被烫伤,或因发生火灾而导致房屋、财产损失,甚至可能导致丧命。
大量销售的产品引发的问题,会演变成社会问题。而且,销售该产品的企业的形象当然会受到损坏,需要支付产品召回和赔偿等巨额的开支,有的问题要受到法律的惩罚,还要承担重大的社会责任。

小结

近年来,伴随设备、系统的小型化(零部件的高密度化)和高性能化,设备呈现高温化的趋势。热的产生,会导致产品和系统出问题,此类问题有可能对企业及社会产生影响。因此,热对策不仅仅是为了确保产品的性能和可靠性,而且还会波及到社会和企业活动,其重要性是不言而喻的。

下次我们将对热设计和热对策进行解说。

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