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【电子设备可靠性】优化冷却气流模式 减少灰尘沉积——IPC最佳技术论文

五月 02, 2019 | I-Connect007
【电子设备可靠性】优化冷却气流模式 减少灰尘沉积——IPC最佳技术论文

我采访了诺基亚公司出色的技术人员Chen Xu博士,他是IPC APEX EXPO2019展会最佳技术论文《通过优化冷却气流模式减少电子设备灰尘沉积》的作者之一。此论文的另一位作者是英国帝国理工学院的研究员 Jason Stafford。

Happy Holden:我正在和Chen Xu博士讨论他的获奖论文。首先,你能否做一个简要的自我介绍,让读者对你有所了解?
Chen Xu:非常感谢。可能你已经不记得了,我们之前见过好多次。我于1997年进入贝尔实验室工作,之后离开Lucent公司,2002年加入了Cookson Electronics公司,之后工作了大约四年。我又回到了Lucent公司。我一开始是技术团队的成员之一,后来成为了Lucent公司(之后这家公司成为了Alcatel-Lucent公司)的杰出技术员工,在几年前我又加入了诺基亚公司。我的职责就是要找出对我们产品的性能和可靠性造成影响的材料问题。多年前我在德国获得了物理化学专业的博士学位,这是我的专业背景。

最近,我的工作重点是研究影响产品性能和可靠性的环境因素,例如腐蚀性气体、温度、湿度,尤其是环境中的灰尘。这是我过去10年至15年的研究重点。

Holden:你为什么要专门研究电子设备上的灰尘沉积?这是诺基亚给你安排的一项任务,还是你的工作一步一步自然推进至此的?

Xu:更像是我所有的研究推进到了需要研究这个主题的阶段,而且我刚才也提到了,我一直在研究如何提高我们产品的可靠性,尤其是与环境条件所产生影响相关的主题。Nokia生产电子通讯设备,产品销往世界各地。所以说我们的产品会在世界各地不同的环境中使用。你也能想象到,像印度和中国这样的发展中国家,那里的灰尘含量非常高,你应该也了解空气质量指数,这个指标也能反映出环境中的灰尘含量。例如,空气质量测量指数之一——PM 2.5含量,表示直径小于2.5微米的灰尘颗粒含量。还有一个指数是PM 10,表示直径小于10微米的灰尘颗粒浓度。我们稍后就会讲到为什么PM 2.5对于我们的产品而言是非常重要的。

鉴于空气中灰尘无处不在,所以电子设备上出现灰尘沉积是不可避免的。即使如此,我们的产品还是可以承受一定程度的灰尘沉积。按照Telcordia标准,我们要通过认证测试来确保产品在一定灰尘含量环境下可以正常使用。如果灰尘含量过高,可能会以机械、化学或电气性能等方式影响到电子产品的可靠性。

例如,如果产品中有一些转动部件(例如电子品中的风扇),沉积的灰尘就有可能干扰到转动部件。同时,如果散热片上出现了沉积的灰尘,还会影响到产品的热传递、热性能和冷却效率。至于影响产品可靠性的化学方式,因为灰尘中通常都含有离子化合物(例如盐或其他腐蚀剂),所以会腐蚀产品。

在电气方面,对于硫酸铵、硝酸盐这样的水溶性化合物和其他离子盐化合物,当湿度变得足够高或超过临界相对湿度时,离子化合物就会从环境中吸收水分形成导电的电解质溶液。这种溶液会导致产品表面的阻抗降低,也会引起诸如电气失效等问题。

 Holden:我知道你指的是什么。我在Hewlett-Packard工作时,有一次他们设计的各种RF放大器在夏天的某些时间段内会停止工作,当时我负责要找到出现这种问题的原因。最终我们发现是因为设计师没有考虑到湿度对层压板介电常数的影响,所以当路易斯安那州迎来潮湿的夏天时,损耗因数就会升高,之后RF放大器就会停止工作。如果我们把机器挪回实验室内,它就会恢复正常运行,一挪出实验室以后,它就又会停止工作。它只会在一年中的特定时间段内出现问题。正是因为不想考虑湿度对层压板材料的影响,所以人们才会使用覆形涂层之类的材料。

Xu:没错。这正是我们在灰尘问题上遇到的难点。这种问题经常会演变为无法找到问题根源的情况。在实验室里,如果收到退回的产品一定要检测出问题原因,但我们会发现机器工作得好好的。最后,我们意识到了如果在相对湿度较高的环境下进行检测,还原出现故障的环境条件,就会发现故障。

Holden:与你合著这篇文章的作者还有来自帝国理工学院的Jason Stafford。今天他没有到场,能否介绍一下他在研究过程中做出了哪些贡献?

Xu:当我第一次观察到电路板上哪些区域会首先出现灰尘沉积时,我们对这些现象出现的原因给出了一些猜想。我们认为有必要和流体力学领域的专家谈一谈这个问题,并且通过实验、建模或仿真等方式来验证我们的猜想是否准确。我们之所以找到Jason合作是因为他有流体力学专业的博士学位,而且他对模拟气流和实验等非常熟悉,能够帮助我们了解气流是如何影响灰尘沉积的。几年前我们开始与他合作,他大多数实验都是在爱尔兰完成的,那时候他还在诺基亚公司任职。之后他去了帝国理工学院工作。

Holden:你们的研究最后有没有得到实质性的成果?是否对Alcatel、Lucent和/或Nokia公司设计或重新设计设备产生了影响?

Xu:是的。在这个行业中,人们开发出了多种方式来应对灰尘问题,因为这是电子行业普遍需要应对的问题。但是因为产品在恶劣环境下的应用越来越广泛,而且随着电路密度不断增加、间距不断缩小,出现了越来越多的问题,导致电子产品更容易受到灰尘的影响。就算灰尘沉积量非常微小,但由于电路间距较窄,所以灰尘产生的影响也会非常大。而且作为终端用户,现在的一种趋势就是减少使用可控环境,因为良好的环境控制意味着更多的成本和更大的能耗。需要考虑到散热、良好的空气循环,还需要过滤空气,因为灰尘会影响到产品的方方面面,例如冷却效率。

为了节省后续的运营成本,终端用户更愿意减少对环境条件的控制。所以现在有越来越多的设备会暴露在灰尘含量较高的环境中或在这样的环境中使用。人们研究出了多种方法来减缓灰尘对电子设备的影响,但没有人从气流这个角度入手,也没有人考虑过气流模式对灰尘沉积率的影响。我们发现,如果可以优化气流模式,PM 2.5颗粒的灰尘沉积率最高可以降低100倍。这种方法的影响非常大。

Holden:读完了你的文章之后,我意识到每个人都知道为了冷却机器需要配备良好的气流和循环模式,所以人们放入一个风扇就以为解决了问题。但这篇文章解释了空气不仅仅是空气。空气中也含有其他的成分;除了水分以外,还有颗粒,也就是我们所说的灰尘。当灰尘进入设备以后,会造成一定的影响。你在文中解释了电子产品的很多不同部件内会出现灰尘堆积或黏附现象,所以说这不仅仅是空气的问题。当然,灰尘主要是绝缘体,但也可能是电解质,后者可能会产生更糟糕的影响。

Xu:的确是这样。

Holden:这不是一个小问题,因为沉积的灰尘会影响冷却效率,这是你们想要解决的问题。除此之外,你们得出的结论有哪些?

Xu:基本上我们做的工作就是尝试优化气流,从而最大程度地减少灰尘沉积。我们在优化气流的同时,又不希望降低冷却效率。在这个前提下,我们通过优化气流将灰尘沉积率降低了100倍,实现了我们的目标。我们的模拟实验结果已经证明这套方法对冷却效率产生的影响只有1%到5%,这就是这项实验的主要成果。

正如我刚才提到的,一些关键结论还包括我们在某些特定位置观察到了局部灰尘沉积。我们通过研究已经证明这种更容易出现灰尘沉积的区域实际上与气流模式有关。具体来讲,如果气流流动方向与电路板平行,灰尘沉积率就会很低,但如果气流流动方向以倾斜角度垂直于线路板,那么灰尘沉积率就会高很多。在设计电路板或冷却工艺流程时,需要考虑这个问题。要试着让气流方向尽可能与电路板表面保持平行。

而且人们通常会使用空气过滤器来减少灰尘的入侵。使用空气过滤器的一个缺点就在于它限制了空气的进入,所以气压就会下降。例如,一般空气过滤器的MERV等级是7或8,我们使用这种过滤器会导致空气流动率降低50%。这种情况必然会造成冷却效率降低。于是必须要提升空气流动率并加快风扇运转速度,这就意味着能耗会增加。

在选择空气过滤器的时候,不得不做出权衡。一方面,你希望有足够的效率能降低灰尘含量,但你也希望尽可能不要降低空气流动率。你要做的工作就是在这两者之间找到平衡。我们还发现在使用空气过滤器时,它还会改变气流模式,从而导致灰尘沉积率升高,所以需要考虑这一点。我们的研究还强调了数据中心将PM 2.5灰尘浓度保持在较低水平的重要性,以及去除PM 2.5方法中最实用、最具有性价比的方式就是在室内操作。

Holden:我认为对于很多从事机械封装工作的设计师而言,真的很有必要读一读这篇文章,因为你在结论中也证明了加入空气过滤装置实际上会让情况变得更糟糕。人们的常识或直觉都是恰与此相反。

Xu:没错。

Holden:你们为什么要研究直径小于2.5微米的灰尘颗粒?

Xu:有多种原因。一般情况下,沉积的灰尘颗粒可以分为两种——较大的颗粒和较小的颗粒。大颗粒一般就是直径大于2.5微米的颗粒,小颗粒的直径小于2.5微米。后者叫做PM 2.5。PM 2.5颗粒中通常有较高含量的水溶性离子化合物,介于20%至50%之间。而较大颗粒中离子化合物的含量要低很多,只有5%到20%。因为离子含量较高,所以PM 2.5颗粒相比大颗粒灰尘更容易对电子品造成致命影响。同时,PM 2.5颗粒也更难使用空气过滤器去除。所以说PM 2.5颗粒对电子产品的影响是最严重的。

 

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标签:
#可靠性  #灰尘沉积  #IPC最佳技术论文  #诺基亚 

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