電子元件散熱問題的實驗研究

王鳳輝，孫元，李楚橋，郎明志，李跟寶

（長安大學汽車學院，陜西 西安 710064）

電子元件散熱問題的實驗研究

王鳳輝，孫元，李楚橋，郎明志，李跟寶

（長安大學汽車學院，陜西 西安 710064）

隨著科技的發展，電子產品的功率密度越來越大，設備的工作溫度也隨之越來越高，熱安全性問題日益凸顯。文章利用紅外熱像測溫技術，對某智能手機進行了各種實驗工況的測試，在圖像采集模式下獲取了智能手機散熱系統和電路系統的紅外熱像圖。通過對熱像圖的分析可以得到，石墨烯在電子元件散熱問題中起到了非常重要的作用，其能夠有效的降低某智能手機發熱源的溫度。

智能手機；石墨烯；散熱；紅外熱像儀

CLC NO.:TK3 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)15-109-02

引言

隨著現代電子元件對可靠性要求、性能指標、功率密度等進一步的提高，電子元件的熱設計也越來越重要。根據相關文獻記載，電子設備的失效率有55%是由于溫度超過電子元件的規定值引起的。溫度對各類元件的性能影響是不同的，在常見的元件中，溫度對半導體的影響最大。電子設備中大量運用電子元件如集成運放、TTL邏輯芯片、各種電源穩壓芯片等，其基本組成單元是P-N結，對溫度的變化非常敏感。P-N結的性能—溫度函數關系式

式中：ICO—溫度為T℃時的反向漏電流

ICOR—溫度為TR℃時的的反向漏電流

由（1）式可以看出，溫度每升高10℃，ICO將會增加一倍。這種隨溫度的變化，將會直接導致運放工作點發生漂移，晶體管的放大系數β發生變化并造成運放增益不穩定。所以要選擇合理的散熱和冷卻方式，設計有效的散熱系統，把電子元件的溫度控制在規定的溫度值之下，在熱源至外部環境提供一條低熱阻通道，確保熱量能夠順利的散發出去。本文就韓國藍鳥手機（運行時溫度過高）作為實驗主體，對其進行散熱實驗。

1 實驗的建立

本實驗的目的是基于人們對手機使用的安全性及舒適度，而韓國藍鳥這款手機在通話30分鐘以上、攝影、充電、電量低于50%的時候，智能手機的工作溫度高于出廠規定的溫度，這對用戶的使用安全性及舒適度大打折扣，故設計以下實驗裝置，測量并采用貼石墨烯的方法降低智能手機工作時的溫度。

實驗工具主要包括紅外攝像儀，其型號是FLUCK T25，其主要用于測量只能手機發熱源的紅外圖像，并且通過圖像可以得到熱源的溫度分布情況。溫度計用于測量室溫，保證整個實驗過程室溫保持在±1℃的波動范圍之內，使實驗的測量結果更加穩定，偏差更小。云臺主要是其支撐固定紅外熱像儀的作用。支撐板主要用于固定手機的位置，以免在測量過程中移動，還可以固定測量距離、測量位置，使得測量結果更加準確。

圖1 實驗臺架Fig,1 The experimental bench

根據實驗目的及要求設置以下四種實驗工況：①不貼石墨烯散熱材料；②在手機后蓋上貼石墨烯散熱材料；③在只能手機屏蔽罩上貼石墨烯散熱材料；④在智能手機后蓋及屏蔽罩上貼石墨烯散熱材料。（本次實驗所用的石墨烯厚度為20μm，背面采用8μm的雙面膠來給其背膠）并且每一種工況都在以下七種負荷進行實驗，分別是：低電量、低電量＋游戲、低電量＋攝影、充電、充電＋游戲、充電＋攝影、攝影。

實驗方法是將未貼石墨烯的手機運行一段時間后（智能手機的工作溫度基本上達到一個穩定狀態），采用紅外熱像儀測其發熱源溫度；然后等手機冷卻后貼附上石墨烯，并以相同的條件運行手機，相同的時間后采用紅外熱像儀拍攝發熱源溫度。

2 實驗結果及分析

根據實驗要求及實驗步驟進行實驗，并得到了各個工況下各種負荷的智能手機發熱源的最高溫度值，如表1所示：

由圖2 可以看出，智能手機貼了石墨烯散熱材料后，最高溫度值有了明顯的下降，這說明石墨烯散熱材料能夠很快的將發熱源產生的熱量迅速的傳送到周圍溫度較低的區域，這也體現出了其水平方向有很大傳熱系數的特點。不論是將石墨烯散熱材料貼在智能手機后蓋還是屏蔽罩上，兩者之間沒有明顯區別，也就是說石墨烯貼的位置對其散熱沒有影響。但是當給智能手機貼兩片散熱材料時，很明顯能看出比貼一片的散熱效果要好，這是因為手機后蓋與屏蔽罩之間有一定間隙，空氣的導熱系數很小，不能把發熱源產生的熱量迅速的傳送到周圍溫度較低的區域。

表1 各工況下的溫度最高值Table1 Under the condition of the maximum temperature

根據上表做出做出其柱狀圖，如圖2 所示：

圖2 各工況最高溫度分布圖Fig.2 The highest temperature distribution condition

3 結論

（1）給智能手機貼了石墨烯后，最高溫度值有明顯的降低，這是由于石墨烯在水平方向有很大的導熱率（1000-5000 W/(m2.k)），將發熱源產生的熱量迅速的傳送到周圍溫度較低的區域；

（2）最高溫度的降低是因為將高溫區域的溫度傳送到低溫區域，這樣使得電子元件表面的溫度趨于均勻化，可大大的減少由于發熱引起的熱應力，可以有效的防止電子元件的熱變形，提高了電子設備的使用壽命；

（3）貼兩片的散熱效果明顯比貼一片好，由于空氣的導熱系數太小，不利于散熱，最好使用厚的石墨烯散熱材料，使得智能手機的后蓋與屏蔽罩有充分的接觸，以提高散熱效率。

[1] 馮林敏.氧化石墨烯制備石墨膜及其導熱性能研究[D].哈爾濱工業大學,2015.

[2] 佚名.上海大學石墨烯散熱研究獲進展[J].新材料產業,2015(7).

[3] 佚名. 奧地利微電子推出有助于智能手機和平板電腦處理器散熱的新款電源管理IC[J].中國集成電路, 2013(6):174-174.

[4] 李建偉.智能手機用戶體驗評測系統研究與實現[D]. 北京郵電大學, 2014.

[5] 徐興浪.大功率LED燈具主動散熱裝置研究[D]. 華中科技大學, 2009.

Experimental research on heat dissipation of electronic components

Wang Fenghui, Sun Yuan, Li Chuqiao, Lang Mingzhi, Li Genbao
( Automobile Institute, Chang'an University, Shaanxi Xi'an 710064 )

With the development of science and technology, the power density of electronic products is becoming larger and larger, the working temperature of the equipment is higher and higher, thermal security issues have become increasingly prominent. In this paper, experiments were conducted to get the infrared thermography of the intelligent mobile phone radiation system and circuit system in image acquisition mode by using the infrared temperature measurement technology. Through the analysis of the thermal images, graphene has played a very important role in the problem of heat dissipation of electronic components, which can reduce the heat source temperature of the smart mobile phone effectively.

smart mobile phone; Graphene; heat dissipation; the infrared thermography

A

1671-7988 (2017)15-109-02

王鳳輝（1992-）男，碩士研究生，就讀于長安大學汽車學院，主要研究新能源汽車。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.15.040