关于端子部温度的最高温度规定

关于端子部温度的最高温度规定

2023-05-19

由于应用/功能的扩展,电路的高集成化以及电子零部件的表面贴装化、小型化及高密度贴装化突飞猛进。零部件的自发热随着小型化、高性能化而增大,使得装置侧的零部件热设计也趋于高度化和复杂化。这里介绍一个零部件侧针对该课题采取的举措事例。

关于电阻器的动向和端子部温度规定

针对带有引线的电阻器和表面贴装芯片电阻器热设计的思维方式

以前的电路设计中采用了大量带有引线的零部件。从带有引线的电阻器发出的80~90%的热会散发到周围空间。也就是说,如何在受到周围环境温度影响的同时,向周围空间释放热很重要。

因此,电阻器根据环境温度保证额定功率。将此叫做“环境温度规定”,至今它仍是一项常规的保证。
但是如今,不仅使用电阻器,还使用许多表面贴装类型的零部件。像方形芯片电阻器那样的表面贴装零部件不同于以往带有引线的零部件(表1、左),处于零部件与基板相接触的状态(表1、右)。

表1 基于零部件种类的散热示意图
使用
零部件
引线零部件 表面贴装零部件
热影响示
意图
引线电阻器
引线电阻器
表面贴装电阻器
表面贴装电阻器
特点
  • 连接引线端子又细又长,向贴装基板的热传导散热小
  • 表面积大,对流和辐射散热大
    • 连接端子的面积大,向贴装基板的热传导散热大
    • 表面积小,对流和辐射散热小

      需要注意的是,与带有引线的零部件相比,表面贴装零部件除了受环境温度的影响外,还易受零部件自身发出的热、和通过基板从其他零部件传递过来的热的影响。
      在基于环境温度的设计中,精确计算零部件上的负载变得困难,特别是在施加负载时(工作时)。在此背景下,通过关注施加负载时端子的温度上升来准确设计零部件负载的思维方式随之形成。相对于以往的“环境温度规定”,将基于此思维方式的最大额定功率的规定叫做“端子部温度规定”。

      端子部温度规定的标准化动向

      电阻器会因使用时的负载而自发热,但温度升高会对其性能和寿命产生不利影响,因此使用时需要留有一定的余量。将此思维方式称为降额。使用的环境温度为高温时,要降低施加功率使用。此时,在“端子部温度规定”的思维方式下,施加的功率是以使用环境下施加负载时的端子部温度为基准来设定的,而不是以环境温度为基准来设定的。

      图1 “环境” 温度降额
      图1 “端子部” 温度降额
      图1 概念图

      与该端子部温度相关的规定出现了国际标准化的动向,研究小组中已有以松下电器为首的日系制造商的参与。

      端子温度的测量方法及注意事项

      松下电器的端子温度测量参考电子信息技术产业协会的技术报告“JEITA RCR-2114 与表面贴装用工序电阻器的负载减缓曲线相关的研究”。典型的测量方法包括两种:红外热成像和热电偶。

      表2 端子部温度测量设备例
      使用设备 红外热成像 热电偶
      概要
      示意图
      通过观测物质发射的红外线来测量该物质的表面温度 通过让异种金属线的前端彼此接触来形成电路(热电偶),并利用接合点处产生的热电动势来测量温度
      优点 操作简单,可以非接触方式进行广范围的温度测量 无论环境温度如何,都可进行测量
      缺点
      • 原则上测量是在室温下进行的,测量仪器可使用的温度范围受到限制
      • 无法测量试验槽等透过玻璃的被测物体
      • 在被测物体上有光泽等辐射率低的情况下,需要进行额外处理(处理例:黑色涂装等)
        • 需要根据测量温度和精度选择热电偶的种类
        • 需要考虑安装方法和测量部位的热容量

          实机评估中,估计在很多场合下要选择热电偶,因此请参考以下注意事项。

          热电偶测量时的注意事项

          (1)热电偶的种类

          热电偶包括几个种类,需要根据待测的物质和待测的温度范围区分使用。对于像芯片电阻器那样产品体积小,热容量小的零部件,最好使用热传导率小、线径细的K-type,以抑制传热对热电偶的影响。虽然T-type在温度误差方面相对优异,但是热传导性高,会吸走被测物体的热量,因此可以说不适合热容量小的物体。

          表3 热电偶的种类
          热电偶
          符号
          等级1 等级2
          温度范围 容差 温度范围 容差
          K −40℃以上且未满375℃ ±1.5 ℃ −40℃以上且未满333℃ ±2.5 ℃
          375℃以上且未满1000℃ ±0.004・| t | 333℃以上且未满1200℃ ±0.007 5・| t |
          T −40℃以上且未满125℃ ±0.5 ℃ −40℃以上且未满133℃ ±1.0 ℃
          125℃以上且未满350℃ ±0.004・| t | 133℃以上且未满350℃ ±0.007 5・| t |

          * | t | 是以与测量温度的+、–符号无关的温度(°C)表示的值
          参考:JIS C 1602:2015

          (2) 关于热电偶的前端处理及向测量部的安装

          使用热电偶时,特别要注意两根线的接点部。

          1. 热电偶基于异种金属的电动势差异,因此前端部分必须接触。如果前端部分没有接触则无法进行温度测量。
          2. 热电偶的前端,要用小型点焊机等设备进行焊接。在仅通过扭转前端进行连接或通过锡焊进行连接的情况下,有可能无法正确执行目标部位的温度测量。
          3. 如果焊接部交叉,或焊接部尺寸不恰当,则锡焊到端子上时将无法固定于适当的位置。热电偶测量接触点的温度。接触点前面如有多余的线,则会因散热而导致测量温度值不稳定。为了抑制散热,对热电偶的前端进行适当焊接很重要。
          图2 正确的连接方法
          图2 错误的连接方法
          图2 热电偶的使用方法

          正确焊接完后,将热电偶的前端固定于端子部焊锡圆角的中央。如果热电偶的前端靠向边缘一侧或从圆角处露出,则无法获得准确的温度。

          (3)温度修正

          在使用热电偶的温度测量中,可能会发生与实测值的误差。误差的原因主要包括以下两个,在进行测量时要考虑到这些原因。

          1. 热电偶的电动势误差——热电偶制造批次等
          2. 数据记录器的电压测量误差 ―― 每个通道的测量误差等

          基于端子部温度规定的零部件选定、功率设定方法

          有关装置设计和在实机上的评估,请参阅上面所示的JEITA的技术报告,并注意这里列出的注意项目。此外,松下电器电阻器产品数据表的规定温度查阅方法,请参考以下内容。

          *例)耐电涌固定电阻器 ERJPA3 系列
          如图3所示,在记载有两种产品额定规格的情况下,请按照图形1(额定环境温度)、图形2(额定端子温度)调整要施加的功率。

          ERJPA3 系列商品目录例 (商品目录内容截止到2023年4月)
          图3 ERJPA3系列商品目录例(商品目录内容截止到2023年4月)
          Graph 1
          根据环境温度设定额定值时,请按照左边的图形1降低额定功率。

          Ex.
          环境温度为105℃时,负载功率可达100%
          环境温度为135℃时,负载功率可达40%
          Graph 1
          根据端子温度设定额定值时,请按照左边的图形2降低额定功率。

          Ex. 
          端子温度为130℃时,负载功率可达100%
          端子温度为135℃时,负载功率可达80%

          此时,请在产品温度在类别上限温度以下的条件下使用。在对使用额定环境温度还是额定端子部温度有疑问时,应优先考虑额定端子部温度。

          小结

          与带有引线的零部件相比,表面贴装零部件往往更容易受到自发热和二次传热的影响。在小型化和高密度化日新月异的进程中,设计开发的一个重要思维方式是“端子部温度规定”。端子部的温度测量中经常会使用热电偶,为了确保良好的精度进行测量,需要充分理解热电偶的处理方法。此外,松下电器在数据表上列出了额定端子部温度,请在电路设计时加以活用。

          参考文献

          • 与表面贴装用工序电阻器的负载减缓曲线相关的研究(JEITA RCR-2114)

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