元器件温升测试参考规范

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2006-4-7

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0A吕海峰

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2006-4-7

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1.1 温升丈量意义及目的 3

1.2 背景及基本观点 3

1.3 元器件温度丈量参考 6

1.3.1 PCB板 6

1.3.2 电解电容器 7

1.3.3 电感 8

1.3.4 变压器 8

1.3.5 功率电阻 9

1.3.6 晶体管 10

1.3.7 集成电路 12

1.3.8 入口温度 12

1.3.9 出口温度 13

1.3.10 环境温度 13

1.4 丈量方法 13

1.4.1 热电偶丈量 14

1.4.2 热像仪丈量 15

1.4.3 带电物体，高频磁场丈量方法 17

温升丈量意义及目的

高温对大多数电子元件会产生严重的影响，它会导致电子元器件的失落效，进而引起全体设备失落效，超过一定值的高温带来影响是：材料绝缘等级降落、磁芯参数、电容量、阻值改变引起电旗子暗记失落真或频率产生漂移……，因此有必要对电子元件进行粗测或者详细的热测试，以评判热设计是否合理，或者为热性能的改进供应数据。

由于测试目标种类繁多，各种机型状况各不相同，此为温升丈量供应参考的评判标准

背景及基本观点

导热：物体各部分之间不发生相对位移时，依赖分子、原子及自由电子等微不雅观离子的热运动而产生的热量通报。
气体导热是由气体分子不规则运动时相互碰撞的结果。
金属导体中的导热紧张靠自由电子的运动来完成。
非导电固体中的导热是通过晶格构造的振动实现的。
液体中的导热机理紧张靠弹性波的浸染。

对流：物体各部分之间发生相对位移，冷热流体相互掺混所引起的热量通报办法。
对流仅能发生在流体中，而且一定伴随有导热征象。
流体流过某物体表面时所发生的热交流过程，称为对流换热。

辐射：物体以电磁波形式通报能量的过程称为热辐射，辐射能在真空中通报能量，有能量形式的转换。

热阻：热量在热流路径上碰着的阻力。

打仗热阻：两种物体打仗处的热阻。

内热阻：元器件内部发热部位与表面某部位之间的热阻（如晶体管的Junction到Case之间的热阻）。

自然冷却：不该用外部动力（如风机、泵等）情形下的传热办法，靠自然对流、导热和辐射进行的冷却一样平常都称为自然冷却；由流体冷热各部分的密度不同所引起的对流称自然对流。

强制冷却：流体的运动由外力（如泵、风机等）引起的冷却的办法。

传热状态： 热量的通报过程可区分为稳定过程和不稳定过程两大类，凡物体中各点温度不随韶光而变革的热通报过程称为稳定热通报过程，反之则称为不稳定过程。

辐射系数： 辐射系数是某个物体在给定温度和频谱段下辐射的红外能量与空想辐射体（黑体）在相同温度和频谱段下所辐射能量的比率。
空想辐射体的辐射系数为一。

灰体：所有波长下的辐射系数与相同温度下黑体的辐射系数之比为（非一）常数，且不透射红外能量的辐射体。

红外线（IR）：从约0.75 m的远红可见光到 1000 m 的电磁频谱部分。
出于仪器设计和大气窗口方面的考虑，大多数红外丈量都是在 0.75 m 和 20 m 之间进行的。

环境温度：环境温度是指室温或仪器周围的温度。

背风面：一样平常把流体流动路径上，物体背面气流旋涡区叫做背风面，由于元件背风面温度受外界气流的影响较小，也是温度较高位置，以是一样平常为温度的丈量点，如下图所示：

热阻剖析法：

背风面

在热量通报过程中，与自然界其他转移过程，如电量的转移、动量的转移有类似之处。
其规律可以归结为：

。

若把热量转移过程以此观点来考虑，则损耗为散热过程的转移量，温差

为转移过程的动力，那么热转移过程的阻力R称为热阻，如

，当采取电路熟习的串、并联电路电阻的方法来处理热转移的系统，那么就形成热阻网络，对此就可以进行散热路径的剖析。

如下图铝基板散热转换为热阻网络法示意图：

铝基板示意图

热阻网络

元器件温度丈量参考PCB板

大电流走线

功率板PCB 模组PCB

掌握板PCB

PCB按事情时损耗大小，一样平常分三类，走大电流功率板、发热量一样平常的模组类PCB、损耗很小的掌握板部分。

高损耗PCB（功率板）：可依据电路电流走向，对大电流铜箔进行热电偶丈量，丈量取点依据为：

相同电流，取铜箔宽度最窄处；（需电气、layout工程师帮忙）风道下贱；高温元件与PCB焊接点；

损耗一样平常的PCB（模组类）：热像仪粗测，热电偶精确丈量

采取热像仪对PCB部分进行拍摄丈量；对红外丈量结果进行初步剖析，针对可能超过PCB设计温度、元件设计温度点进行粘贴热电偶进行精确丈量；

低损耗PCB（掌握板）：只需丈量利用环境温度；

电解电容器

电容器一样平常不作热源处理，但电解电容器泄电流较大，其寿命又和温度直接干系，因此有必要理解电解电容器的温度。
下图为一电解电容内部构造。

中空

丈量点

背风面

气流方向

电解电容内部构造 设置热电偶的电容

在进行粗略评估时，可以将热电偶贴电容背风面（若厂家供应电解电容核心到外表面的热阻曲线，则可以评估内部温度）

如电容一端露出金属铝壳，则必须有一温度丈量点为此，如上图所表示，同时在背风面也设置一丈量点，丈量结果取两者最高温度，如上图所示：

埋入热电偶的电容

最准确温度丈量是将热电偶埋入电解电容中央，来丈量电容核心温度。
为不影响电容正常事情条件下，这一动作须要电容厂家帮忙进行。

电感

电感可以实现储能、平波、滤波；抑制尖峰电压或电流，保护易受压、电流破坏的电子元件；与电容构成谐振，产生方向交变的电压或电流。

电感是由铁心与绕组组成，其热性能失落效的紧张形式是铁心的老化，不是温度到某个临界值时立即失落效，而是随韶光的推移逐渐失落效。
绕组的失落效，则是由于绝缘材料超过规格后失落效造成。
正常事情时，这两部分均有功耗产生，因此铁心与绕组两部分需分别丈量。

铁心材质导热系数很差，表里温差较大，因此精确丈量必须通过厂家钻孔，把热电偶埋入铁心内进行丈量。
由于电感事情特性导致其丈量的不准确性，丈量方法拜会1.4.3：带电物体，高频磁场丈量方法。
由于埋设热电偶事情是厂外人士进行，且返工较困难，须要埋多个丈量点，以备丈量过程中破坏；

丈量绕组温升，需将热电偶粘贴在气流背风面，绕组表里面，如下右图所表示：

磁芯钻孔引热电偶

丈量绕组温升

背风面

气流方向

丈量铁心温度 丈量绕组温度

变压器

变压器实现电气隔离，变比不同，达到电压升降，温度丈量须要考虑原副边电流损耗。
由于变压器绕组线圈须要逐匝和逐层进行电绝缘，故内部热点与表面之间的热阻较大。
而变压器内部任何一部位绝缘失落效，就会导致变压器失落效，因此必须丈量变压器内部热点温度。
表面铜线温度仅做评估采取。

同电感的丈量一样，热电偶埋入绕组里会由于变压器事情特性导致测试数据不准确性。
可参考的丈量方法见1.4.3：带电物体，高频磁场丈量方法。
由于埋热电偶事情是厂外人士进行，且返工较困难，须要埋多个丈量点，以备丈量过程中破坏

内部设置丈量点（精确丈量） 背风表面（初步评估）

变压器内部构造

功率电阻

温度对电阻器的影响，紧张表现为阻值和失落效率随温度的变革而变革。
一样平常功率电阻的温升丈量，须要丈量两点温度，一处为本体温度，考验是否超过元件规格。
另一处为电阻管脚与PCB连接铜箔处，考验是否超过PCB温度规格。

如下图所示：

丈量点

气流方向

电阻本体温度丈量

晶体管

晶体管按不同运用处所、不同封装分类，但一样平常构造如下图所示：

普通晶体管散热构造图 晶体管散热热阻网络图

Rthj-c：晶体管的内热阻，由材料、构造、工艺等成分决定，常日由厂家供应；

Rthc-h：晶体管与散热片安装面之间打仗热阻，受面积、压力、材质、粗糙度等影响；

Rthh-a：散热片到环境之间的热阻，与散热片构造、风速、环境温度等有关；

Rthj-a：晶体管半导体结到环境之间热阻，即总热阻。

RHRP15120

IRF3710

G4PF50WD

RURG 75120

结Junction

不同规格的晶体管Junction位置

对付功率晶体管，为使通过Case的热量得到扩散，同时加大热容量，一样平常晶体管Case较厚，当器件损耗约50W时，Case温差可能会产生5~10℃的变革。
损耗越低，温度变革就越小。
晶体管的结到Case为低热阻通路，温度测试以Case温度，推算出Junction温度，来判断温升规格，丈量方法如下：

对付安装有散热片的状况（无绝缘垫片），可以在散热片底部钻孔，直接丈量Case温度；对付部分封装的晶体管（如TO-247、TO220封装），我们可以把热电偶埋入Case面，如下图：

丈量点

丈量点

TO-247封装Case温度参考丈量点 TO-220封装Case温度参考丈量点

若封装构造导致无法丈量，则丈量背面Package温度，以此温度作为Case温度来设计。
下图为热像仪所拍摄的RURG75120的最高温度点位置，此位置测得的温度界于Junction和Case温度之间，因此可视为Case温度作为守旧估计，如下图所示：

此处所测得的温度低于TJunction温度高于Tcase温度

热像仪图象 测试点示意

集成电路

集成电路的结到外壳热阻与芯片尺寸及材料、焊接材料、基版或外壳材料以及封装的几何构造形状等成分有关

对付中大规模集成电路，其一块芯片上可能有数百个乃至几千个结，由于各种电路险些都是数字式的，而且每个结的功耗一样平常都很小，但是器件总功耗可能很大。
为担保电路可靠事情，常日规定许可的结温或最大功耗。
由于这种集成电路散热为自然冷却，一样平常丈量位置在其封装表面。

入口温度

电子设备的入口温度，一样平常也指电子设备的环境温度。
需把侦测点放置设备入口处，即丈量进入设备的冷却空气温度。
如下图所示：

丈量入口空气温度

入口空气温度丈量

出口温度

电子设备经由空气冷却后后，出口各处温度分布不均，需依据出口位置、大小、温差进行多点丈量，如下图所示：

丈量位置之一

出口空气温度

环境温度

环境温度，指目标设备或元件的环境温度，对付设备的环境温度，我们只须要丈量入口空气温度即可。
而元件的环境温度，需将热电偶探头放置元件上游1cm旁边；

丈量方法

目前丈量温度的设备紧张采取热电偶打仗式丈量，红外非打仗丈量两种办法。
热电偶是利用塞贝克效应，进行打仗式丈量。
而红外测试是利用物体热辐射事理，因非打仗式丈量易受到空气中介质、物体本身发射率等影响，丈量中偏差比较大。
因此在电子设备中，一样平常采取红外热像仪进行宏不雅观丈量，创造问题点，进行评估，然后再采取热电偶进行定点精确丈量。

以下分别先容其丈量方法与步骤：

热电偶丈量

事情事理：

两种不同身分的导体两端经焊接、形成回路，直接测温端叫丈量端，接线端子端叫参比端。
当丈量端和参比端存在温差时，则回路中就会有电流产生，即回路中就会产生电动势，再由测温仪处理数据，显示出来的便是测得的温度。
热电偶的热电动势将随着丈量端温度升高而增长，热电动势的的大小只和热电偶导体材质以及两端温差有关，和热电偶的长度、直径无关。

若采取扭结方法代替焊接法，须要把稳的是担保扭结紧密，并把稳丈量点是间隔参比端间隔最近的扭结点，如下图所示：

缺点丈量点

电偶丝的电流

测温点

制作方法（扭结点）：

工具：斜口嵌、尖嘴嵌、直径约1mm铁丝(一样平常用二极管的管脚)。

方法：撑握力度将温升线去皮5~10mm。
铁丝夹于两热电偶丝之间，用尖嘴嵌将热电偶丝扭紧。
抽出铁丝。
需把稳热电偶丝无损伤。
否则将影响下面的事情。

粘贴规范：

工具：温升胶、冷却剂、尖嘴嵌、斜口嵌

方法：将电偶丝结点1mm以外剪去。
用尖嘴嵌最平的地方将电偶丝与温升线夹平。
试范做好的电偶丝与被测物体可否平贴，如可以则先点少量温升胶固定后再适当加温升胶将其加固。

1mm

把稳事变:

为热电偶贴的紧密，在粘贴前需将被测物表面擦干静，电偶丝不得翘起，离开被测平面；粘温升线前需确定线上的标签是否与通道同等。
可以参考的办法：用手捏住热电偶结点，若测温仪显示温度升至35℃旁边（人体温度），则解释通道精确；温升仪所设定的热电偶类型(即“K”、“J”等设置)是否与所利用的测温线匹配（目前公司现所利用的测温线全是“J”温线）；丈量温度时，使丈量点受外界影响最小（如丈量元件温度，则不能让冷却风吹过）热电偶丝欲断非断，导致测温仪显示时有时无；热电偶带电，会导致丈量缺点；热电偶处于磁场，可能会导致丈量缺点；热像仪丈量

事情事理：

物体因热的缘故原由而发出辐射能的征象称为热辐射，红外测温仪可捕捉从所有物体辐射出的红外能量。
红外辐射是电磁频谱的一部分，电磁频谱中包括无线电波、微波、可见光、紫外线、伽玛射线和X 光。
红外线介于频谱的可见光和无线电波之间。
红外线波长常日以微米表示，红外频谱范围从 0.7 微米至 1000 微米。
实践中，红外温度丈量利用的波段范围为 0.7 至 14 微米。

因此可将来自目标表面某圆点的红外辐射转换为一种可与该圆点温度干系的丈量值的仪器称为红外测温仪。
非打仗式红外（IR）测温仪采取红外技能快速方便地丈量物体的表面温度。
这种仪表不打仗物体便可快速产生温度读数。
温度显示在液晶显示屏上。
可安全地丈量高温、危险 或难打仗表面，而不会污染或破坏待测工具。
此外，红外测温仪每秒可产生几个读数，而与之比较，打仗式测温法每次丈量可能须要几分钟。

个中辐射系数是衡量物体辐射红外能量能力的一种度量。
辐射的红外能量与物体的温度呈指数比例关系。
辐射系数值的范围为 0（光亮镜面、全反射镜）到 1.0（黑体、完备辐射体）。

利用方法：

红外仪丈量利用界面如下：详细咨询热设计工程师

某型热像仪界面

热像仪开关位置

热像仪设置开关

把稳事变:

1、在利用热像仪进行定性检测，则让辐射系数设置为 1.0。
如果须要丈量实际温度值，则按待测物系统编制造材料的辐射系数，设置辐射系数值。
此外，如果须要精确丈量，则需在丈量之前查出材料的辐射系数值、或者标定出辐射系数值；

2、热像仪只能丈量表面温度，不能丈量内部温度；

3、不能通过玻璃进行温度丈量。
玻璃存在反射和透射，因而不能得出精确的红外温度读数。
把稳环境条件。
蒸汽、灰尘、烟雾等遮住镜头，妨碍精确丈量；

4、建议不要用红外测温仪丈量光亮或抛光金属表面（不锈钢、铝等）；

5、把稳环境温度，如果测温仪碰着 10 度以上的突变环境温差，让仪器适应新的环境温度至少二十分钟（如从室温环境移至温升房内利用）；

5. 只要辐射系数小于 0.9，要持仪器垂直对准待测表面。
任何情形下，偏离入射角不得超过30度；

6、红外测温仪丈量结果只能作为温度分布参考，不可作为温升结果，详细咨询热设计工程师；

7、热像仪激光束是为赞助瞄准，丈量时并不须要激光，严禁激光指向人眼。

带电物体，高频磁场丈量方法

在电子设备里，如某些管子的Case、器件管脚、电感铁心内部、变压器绕组，都存在带电或高频磁场问题，以是在进行这方面元件的测试时，必须采纳分外手段，否则轻则丈量缺点，重则导致丈量设备破坏。

可以采纳以下方法：

1、断电法：在温度稳定后，进行断电，这时被测物体不带电，而由于温度不能突变，这时显示温度作为丈量温度，把稳的是韶光的把握，一样平常运用于变压器、电感类元件的铁心；

若自然散热，则丈量韶光在断电后10秒内；

若逼迫风冷，丈量点无风直接冷却，则丈量韶光担保在4秒内；

若逼迫风冷，丈量点有风直接冷却，则丈量韶光担保在2秒内；

2、绝缘法：在热电偶丈量端，套上得当大小的热缩套管进行绝缘，然后再埋入热电偶；此方法经由比拟试验，偏差掌握在5℃以内。