电子设备热设计散热技术与方法选择数据分析
功率器件热设计及散热器的优化设计
功率器件热设计及散热器的优化设计1 表征功率器件热性能的主要参数功率器件应用时所受到的热应力可能来自器件内部，也可能来自器件外部。
器件工作时所耗散的功率要通过发热形式耗散出去。
若器件的散热能力有限，则功率的耗散就会造成器件内部芯片有源区温度上升及结温升高，使得器件可靠性降低，无法安全正常工作。
表征功率器件热能力的参数主要有结温和热阻。
一般将功率器件有源区称为结，器件的有源区温度称为结温。
这些器件的有源区可以是结型器件（如晶体管）的pn结区、场效应器件的沟道区，也可以是集成电路的扩散电阻或薄膜电阻等。
当结温T j高于周围环境温度Ta时，热量通过温差形成扩散热流，由芯片通过管壳向外散发，散发出的热量随着温差（Tj-T a）的增大而增大。
为了保证器件能够长期正常工作，必须规定一个最高允许结温 Tjmax。
Tjmax的大小是根据器件的芯片材料、封装材料和可靠性要求确定的。
功率器件的散热能力通常用热阻表征，记为 RT。
热阻越大，则散热能力越差。
热阻又分为内热阻和外热阻，内热阻是器件自身固有的热阻，与管芯、外壳材料的导热率、厚度和截面积以及加工工艺等有关；外热阻则与管壳封装的形式有关。
一般来说，管壳面积越大，则外热阻越小，金属管壳的外热阻就明显低于塑封管壳的外热阻。
当功率器件的功率耗散达到一定程度时，器件的结温升高，系统的可靠性降低，为了提高可靠性，应进行功率器件的热设计。
2 功率器件热设计功率器件热设计是要防止器件出现过热或温度交变引起的热失效，可分为器件内部芯片的热设计、封装的热设计和管壳的热设计以及功率器件实际使用中的热设计。
其主要关系如图1所示。
对于一般的功率器件，在生产工艺阶段，就要充分考虑器件内部、封装和管壳的热设计，当功率器件功耗较大时，依靠器件本身的散热（芯片、封装及管壳的热设计）并不能够满足散热要求。
功率器件结温可能会超出安全结温，此时需要安装合适的散热器，通过散热器有效散热，保证器件结温在安全结温之内且能长期正常可靠的工作。
电子设备热分析、热设计及热测试技术综述及最新进展
第ｌ期
吕永超，等：电子设备热分析、热设计及热测试技术综述及最新进展
７
有限元法对不规则几何区域的适应性好，但在对 流项的离散处理及不可压缩Ｎａｖｉｅｒ—ｓｔｏｋｅｓ方程的原 始变量法求解方面不如有限容积法发展成熟。
有限分析法是８０年代初发展起来的一种数值方 法，它可以克服在高Ｒｅ数下有限差分法及有限容积 法的数值解容易发散或振荡的缺点，但其计算工作量 较大，对计算区域几何形状的适应性也较差。
图３微波晶体管的发展趋势
滞后，水平较低，尚处于初期阶段，但这几年也逐渐认 识到了该研究对航空航天及军事方面的重要性及迫切 性。
美国在７０年代就颁发了可靠性热设计手册；日本 电器公司１９８５年推出的巨型计算机已采用水冷技术； 而且国外很多公司都在致力于各种电子设备冷却方法 的计算机辅助热分析软件的开发，力求快速准确地计 算出电子设备的温度分布。
Ｊｏｎａｔｈｏｎ Ｗｅｉｓｓ等人通过对电子元件封装的热分 析，提出电子系统可靠性的关键是保持ＩＣ的结点温度 低于允许工作温度点。美国奥克兰大学Ｂ．ｃａｈｌｏｎ等 对对流冷却及对电子元件的优化布局进行了研究，建 立了电子设备强迫对流冷却的数学模型。
我国国防科工委也于１９９２年７月发布了国家军 用标准ＧＪＢ／ｚ２７—９２《电子设备可靠性热设计手册》， 提供了军用电子设备热设计，热可靠性分析与鉴别的 方法，提供了热设计的基本理论和计算方法，是进行热 设计的基本依据。
具体来说，电子设备的热设计包括选择合适的冷 却方式，布置冷却剂流型及方向以及排列封装内的电 子部件等。对于具体的热设计，在选择冷却方法时应 考虑下列因素：设备的热流密度（或体积功率密度）， 总功耗，能提供散热的表面积和体积，设备和元器件工 作的允许温升，冷却剂类型，冷却剂流量和人口温度， 环境温度及其它的特殊要求。
电子设备热设计方法
式中： φ —— 热流密度，W/m 2； A —— 换热面积，m2； C —— 系数，由表2-1查得； D —— 特征尺寸，m；
Δt —— 换热表面与流体（空气）的温差，℃。
表
2-1
自 然 对 流 准 则 方 程 中 的 C 和 n 值
ln( r2 r1 )
R?
2? ? l
?W ?
长度为 l 的圆筒 壁的导热热阻
接触热阻
实际固体表面不是理想平整的，所以两固体表面直接接触的界 面容易出现点接触，或者只是部分的而不是完全的和平整的面 接触 —— 给导热带来额外的热阻
减小散热器与器件之间的接触热阻
影响接触热阻的因素较多，迄今没有一个普遍适用 的经验公式加以归纳，因此工程设计中都是根据实验或 参考实测数据来选择接触热阻。
c. 根据上述两条规定，确定每个元器件的允许温升
d. 确定每个元器件冷却时所需的热阻
? 热阻的计算
Rt
?
?t ?
式中Rt 为整个传热面积上的热阻，℃/W。
a.
平壁导热热阻：
Rt
?
? ?A
b.
对流换热热阻：
Rt
?
1 hc A
3冷却方法的选择
3.1冷却方法的分类 3.2冷却方法的选择 3.3冷却方法选择示例
3.1 冷却方法的分类
? 按冷却剂与被冷元件之间的. 自然冷却（包括导热、自然对流和辐射换热的单独 作用或两种以上 换热形式的组合）
b. 强迫冷却（包括强迫风冷和强迫液体冷却等） c. 蒸发冷却 d. 热电致冷 e. 热管传热 f. 其它冷却方法
λ —— 流体的导热系数， W/(m·℃)； β —— 流体的体积膨胀系数， ℃-1； g —— 重力加速度， m/s2； ρ —— 流体的密度， kg/m3； μ —— 流体的动力粘度， Pa·s；
CPU热功耗及散热解析
● TDP到底是指什么？TDP的英文全称是“Thermal Design Power”，中文翻译为“热设计功耗”，是反应一颗处理器热量释放的指标，它的含义是当处理器达到负荷最大的时候，释放出的热量，单位为瓦（W）。
CPU的TDP 并不是CPU的最大功耗（功率），它们是两个没有多少相关性的概念，功耗（功率）是所有用电器的重要物理参数，是指一个用电器消耗电功率，CPU的真实功耗（功率）要复杂的多，而且由于CPU的晶体管并不是纯电阻电路而是混合电路，所以不能简单的使用电压X电流的方法来计算。
CPU的功耗包括“运算所用功耗”和“发热功耗”两部分，而且“运算所用功耗”和“发热功耗”在实际运行中是随着CPU负荷的大小动态变化的。
而TDP是指CPU电流热效应以及其他形式产生的最大热能，是一个固定值。
显然CPU的TDP（最高释放热量）小于CPU的最大功耗，但在实际运行中，CPU的功耗和发热往往最不总是以最大状态出现。
进一步区分，CPU的功耗是CPU从主板上获取的功率，是要求主板供电设计时考虑的。
而TDP是CPU最大发出的热量，是对散热系统提出要求，要求散热系统能够把CPU发出的热量及时的散掉，也就是TDP是要求CPU的散热系统必须能达到的最大热量驱散速度。
●CPU的热量来自哪里那人们可能就想问了，CPU的热量来自哪里？CPU的热量来自三个部分，第一个是正常的运算过程中晶体管里的电热效应，这个是无法避免的，因为除了超超导体之外的任何导体都有电阻就都会发热。
还有两种发热是由于CPU里的两种泄漏电流导致的。
这两种电流首先是门泄漏，这是电子的一种自发运动，由负极的硅底板通过管道流向正极的门；其次是通过晶体管通道的硅底板进行的电子自发从负极流向正极的运动。
这个被称作亚阈泄漏或是关状态泄漏(也就是说当晶体管处于“关”的状态下，也会进行一些工作)。
这两者都需要提高门电压以及驱动电流来进行补偿。
这两种情况都加大了能量消耗和CPU的发热量。
3U-VPX光通信电子设备热设计与仿真分析
71技术交流2022.07·广东通信技术DOI:10.3969/j.issn.1006-6403.2022.07.0183U-VPX 光通信电子设备热设计与仿真分析［陆宣博 甘泉 蒙志雄］近年来，标准化接口的3U-VPX 高密度集成板卡便于快速插拔和优异的互换性，受到越来越多的客户选择。
但是，由于光通信电子设备通讯速率的速发展，推高了电子设备的功耗，高功耗带来的高温对电子设备的稳定性造成了较大的影响，电子设备的散热问题也越来越突出。
研究了一种3U-VPX 光通信电子设备，等比例建立了三维数字化虚拟模型，结合业务单元的分布情况，采用高功耗热源分布式生长导热凸台和强迫风冷散热措施，使用热仿真分析软件进行热仿真迭代分析，优化的风道设计能较大程度的把热量带出电子设备，能较好地改善电子设备散热问题，对同类型的电子设备热设计具有实际的指导意义。
陆宣博中国电子科技集团公司第三十四研究所。
甘泉中国电子科技集团公司第三十四研究所。
蒙志雄中国电子科技集团公司第三十四研究所。
关键词：3U-VPX 光通信 热仿真 风道设计 高密度集成板卡摘要1 引言电子设备一般是由多种不同的控制接口和输入输出的电子器件组合而成，这些电子器件的可靠性直接关系到整个电子设备的性能，而热性能又是其中一项重要的可靠性指标[1][2]。
近年来，标准化接口的3U-VPX 高密度集成板卡便于快速插拔和优异的互换性，受到越来越多的客户青睐和选择。
但是，由于光通信电子设备通讯速率的速发展，推高了电子设备的功耗，高功耗带来的高温对电子设备的稳定性造成了较大的影响，3U-VPX 光通信电子设备的散热问题也越来越突出[3][4]。
为了解决3U-VPX 光通信电子设备突出的散热问题，本文将研究设计一种光通信电子设备机箱（本文研究的设备除了进出风口，其余密封），通过建立等比例三维数字化虚拟模型，使用热仿真软件进行真实热环境模拟和热仿真迭代分析，给出详细可靠的设计要素和依据，为结构设计提供有力的数据支撑，从而解决散热问题。
某电子设备热设计的数值模拟研究
【 ｂｔａｔ ｎｔｅｂｓ ｅ Ｆ Ｃ ｍｐｔ ｉ ａ Ｆｕ ｙ ａ ｉ ）ａ ｄｔ ｕ ｅ ｃｌ ｅｔｒｎｆ ｃ ｎｌ ，ｈ ａ Ａ ｓ ｃ】Ｏ ａｉ ｏ ｔ Ｄ（ ｏ ｕａｏ ｌ ｌｉ Ｄ ｎ ｍｃ ｎ ｅｎ ｍ ｒ ａ ｈａ ｔ ｓ ｒｅｈ ｏ ｇ ｔｅ ｔ ｒ ｈ ｓ ｆｈ Ｃ ｔｎ ｄ ｓ ｈ ｉ ａ ｅ ｔ ｏ ｙ ｎ—
【 ｙｗ ｒｓ ｌ ｔ ｎｃｅｕｐ ｅｔ ｔｅ ａ ｄ ｓ ｎ ｎ ｍ ｒ ａ ｓ ｕａｏ ； Ｆ Ｋｅ ｏｄ 】ｅ ｃ ｏｉ ｑｉｍ ｎ； ｈｒ ｌ ｅｉ ； ｕ ｅ ｃ ｍ ｌｔｎ Ｅ Ｄ ｅｒ ｍ ｇ ｉｌ ｉ ｉ
１ 引言
电子 设 备 的 周 围 环 境 温 度 会 影 响 其 内 部 温
发 成本 。
【 关键词】电子设备 ； 热设计； 数值模 拟； Ｆ ＥＤ
【 中图分类号】 Ｈ ２ Ｔ １２
【 文献标 识码 】 Ａ
Ｚ ＨＡＮＧ Ａｉｉ ｇ ，ＸＵ Ｊａ ｂ ，Ｌ Ｕ ｎ ｑｎ ｉ ｎ ｏ Ｉ Ｙｏ ｇ
Ｉ ｖ ｓ ｉ ａ ｏ ｎ Ｔ ｅ ｍａ ｓｇ ｏ ｎ Ｅｌｃ ｒ ｎ ｃ Ｅｑ ｉ ｍｅ ｔｂ ｍ ｅ ｉａ ｉ ｌ ｔ ｎ ｎ ｅ ｔｇ ｔ ｎ ｏ ｈ ｒ ｌＤｅ ｉ ｎ ｆ ｒ ａ ｅ ｔ ｏ ｉ ｕ ｐ ｎ ｙ Ｎｕ ｒｃ ｌＳ ｍｕ ａ ｉ ｉ ｏ
ｕｒｌｃ ｎ ｅ ｔ ｎ ａ ｏｃ ｄ ｃ ｎｖ ｃ ｉｎ ｏ ｈ ｌ ｃｒ ｎｃ ｅ ｕｉ ａ ｏ ｖ ｃｉ ｎｄ ｆ ｒｅ ｏ ｅ ｔｏ ｆｔｅ ｅ ｅ ｔｏ ｉ ｑ ｐｍｅ ｔａ ｅ ｓｍｕ ａｅ ｕｍｅ ｃ ｌ ｓｎｇ ｃ ｍ ｍｅｃ ａ ｎ ｌｔｃ ｓ ｆ— ｏ ｎ ｒ ｉ ｌｔ ｄ ｎ ｉ ｌ ｒ ａ ｙ ｕｉ ｏ ｒ ｉ ａ ａｙ ｉ ｏ ｔ ｌ
临近空间大功率电子设备的热设计
临近空间大功率电子设备的热设计王丽【摘要】大功率电子设备发热量大,直接工作在恶劣的空间热环境,其热设计十分复杂.针对临近空间热环境特点,结合大功率电子设备工作模式及热控要求,采用热隔离、热控涂层、低热阻途径、提高换热效率等方法对其进行热设计.在此基础上用Icepak软件进行了热仿真,给出了合理优化的设计方案.临近空间环境模拟试验验证了热设计的正确性,对临近空间电子设备的热设计有一定的指导和借鉴作用.【期刊名称】《电讯技术》【年(卷),期】2010(050)007【总页数】4页(P127-130)【关键词】临近空间;大功率电子设备;热设计;热管散热器【作者】王丽【作者单位】中国电子科技集团公司第五十四研究所,石家庄,050081【正文语种】中文【中图分类】TN802;V461 引言随着临近空间(20～100 km)飞行器应用技术的发展，电子设备等有效载荷在飞行器上的应用日趋广泛，为了保障设备的正常工作，必须做好相应的热控措施。
由于临近空间环境独特(空气稀薄；气温极低，变化复杂；气压低；臭氧和太阳辐射强；平均风速低，20 km区平均风速最小),使得直接工作在临近空间的大功率电子设备热设计面临一个新的挑战。
临近空间热环境特性与地面有明显的差异，临近空间大功率电子设备所采用的热控措施、热仿真分析模型与地面设备有显著的不同。
本文针对某临近空间大功率电子设备的热环境特性和工作要求，提出相应的热控措施，对其热控系统进行了详细设计，利用Icepak软件进行了热仿真分析，得到了满意的结果。
2 热环境特性分析临近空间大致包括大气的平流层、中间层和部分电离层区域。
平流层距地面高度12～50 km,环境特性受地面的影响较小,大气中杂质很少,几乎没有水汽凝结和雾、雨、雹等气象变化,只有微弱的上下对流。
中间层距地面50～80 km,该层温度先升后降,上下对流非常明显。
电离层距地面60～100 km,该层内带有高密度的带电粒子,大部分气体由于高温发生电离。
电子器件的散热技术及其计算方法
电子器件的散热技术及其计算方法翁建华;舒宏坤;崔晓钰【摘要】介绍了电子器件散热中常用的部件,包括热管、散热器、微型风扇等,以及为满足不断提高的热流密度而出现的新型散热部件,如振荡热管、微槽道散热器等.同时,结合电子器件散热特点,总结了散热计算的一些方法.这些计算方法是进行产品热设计和热分析的重要工具.【期刊名称】《机电产品开发与创新》【年(卷),期】2015(028)006【总页数】3页(P42-44)【关键词】电子器件;热设计;散热;计算方法【作者】翁建华;舒宏坤;崔晓钰【作者单位】上海电力学院能源与机械工程学院,上海200090;上海电力学院能源与机械工程学院,上海200090;上海理工大学能源与动力工程学院,上海200093【正文语种】中文【中图分类】TK124电子器件的散热方式有导热、对流和辐射，而对流又分为自然对流和强制对流。
按散热所使用的介质，又可分为气体散热和液体散热；按是否使用运动部件，散热又有被动和主动之分。
比如，室内照明用大功率LED主要通过空气自然对流、被动方式进行散热，而微型和小型计算机CPU则主要通过空气冷却、主动方式进行散热［1，2］。
随着电子技术的快速发展，电子元器件的集成度越来越高，热流密度越来越大，散热问题也越来越突出。
因此，电子器件的散热问题也越来越引起产品设计人员的重视。
本文介绍电子产品常用的散热部件及其发展、以及散热问题的一些计算方法，供设计人员参考。
电子器件散热常用部件主要有热管、散热器、微型风扇等，近年来又出现了一些新型散热部件和散热材料，如振荡热管、平板型热管、石墨材料、微槽道等，以满足高热流密度电子元器件散热的需要。
1.1 热管普通热管由管壳、吸液芯等组成，管内充有适量的工作介质。
热管内的工作介质在蒸发段吸收热量，由液态蒸发为汽态，在管的冷凝段释放热量，由汽态凝结为液态，再由吸液芯回流至蒸发段，热量就由热管的一侧传递至另一侧［3］。
热管是一种高效的传热元件，其传热热阻很低，如用于某型号笔记本电脑的热管其传热热阻仅为0.016K/W。
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电子设备热设计散热技术与方法选择数据分析
作者：唐田
来源：《科学与信息化》2016年第31期
摘要热设计关系到电子设备是否能安全可靠的运行。
本论文根据热力学散热理论，从散热方法的选择以及基板上器件的布局等方面说明了电子设备结构设计中热设计的方法及重要性，介绍了最新的散热技术与方法。
关键词电子设备；可靠；散热
1 概述
近些年，微电子技术突飞猛进，多功能、高密度封装、高速运转、体积小等特点的器件在电子设备中应该越来越广泛，引起了相应电子设备的热流密度集中放大。
要保证电子设备可靠、稳定工作，必须对整个设备有良好的热设计，提高散热能力和速度，从而提高产品的可靠性和安全性。
电子设备的热设计是指通过元器件选择、电路设计、结构设计和布局来减少温度对产品可靠性的影响，使设备能在较宽的温度范围内工作。
热设计的目的是：保证电器性能稳定，避免或减小电参数的温度漂移；降低元器件的基本失效率，提高设备的平均无故障工作时间；减缓机械零部件氧化、老化、疲劳以及磨损等进程，从而延长电子设备的使用寿命[1]。
2 热设计的基础
电子设备的热设计应根据所要求的设备可靠性和分配给每个器件的失效率，利用元器件应力分析预计法，确定元器件的最高允许工作温度和功耗，使热设计满足可靠性的要求；另外，充分考虑设备预期工作的热环境，包括环境温度和压力的极限值、变化率、太阳或周围其他物体的辐射热载荷、可利用的热沉状况以及冷却剂的种类、温度、压力和允许的压降等。
最后，热设计还应符合相关的标准和规范规定的要求[2]。
3 冷却技术应用的条件
目前冷却方法分为直接冷却、间接冷却（即把内部的热源导到散热片上）、蒸发冷却、自然冷却（包括导热、自然对流、辐射换热）、热管传热、强迫冷却（强迫风冷和强迫液体冷却）等[3]。
3.1 当温升条件为40℃时，不同冷却方法带来的热流密度和体积功率密度值如图1和图2所示。
3.2 温升要求不同的各类设备冷却，可参照热流密度和温升的要求（图3）进行选择。
3.3 冷却方法案例所示功耗为300 W的电子组件，将其装在机柜里，放在正常室温的空气中，分析对此机柜采用特殊冷却措施的具有不必要性，且可将机柜体积进行适当缩减。
4 电子设备的热设计
对于内部安装空间小，同时受实际工作环境限制的部件，其热设计都采取自然冷却方式。
自然冷却包括热屏蔽和热隔离、印制板设计、传导冷却、结构设计几大方面。
4.1 热屏蔽与热隔离
热屏蔽和热隔离对减少元器件之间热传递、保护温度敏感的器件效果明显。
将热流通路直接连接到热沉；减少元件之间的辐射耦合；降低冷却剂的温度梯度；将高温器件装在内表面高黑度、外表面低黑度的外壳中，并且保证外壳与散热器有良好的导热连接；保持引线足够粗大。
4.2 印制板设计
常用的PCB板平行方向的导热能力要强于法向方向。
为增加PCB的导热能力，可采用金属散热的印制板。
金属基板的散热性能好，占据了大部分需要散热片的场合。
但由于金属与环氧玻璃树脂热膨胀系数差别较大，如果胶接不当，可能会引起电路板的变形，因此，在设计印制板时要充分考虑电子器件的布局。
4.3 电子器件的布局
印制板上的电子器件主要依靠传导提供一条从元器件到印制板以及结构件的低热阻路径来完成冷却。
为了降低此热阻，可用导热绝缘胶将器件直接粘到印制板或导热条上，来减小元器件与印制板的间隙；安装大功率器件时，可考虑用导热硅橡胶片作为绝缘片；有不同规模的集成电路混合安装的情况下，应尽量把大规模的集成电路放在冷却气流的上游，小规模的集成电路放在下游，以使印制板上的电子器件温升趋于均匀。
4.4 传导冷却
导热通路中的接触热阻是比较大的热阻，其产生的主要原因是两个看似相互接触的面之间实际上并不完全贴合，而是只有某些点接触所致。
因此，适当增加两个接触面上的压力可以有效地减小接触热阻。
有实验数据表明，接触缝隙内是真空或低气压时，接触热阻会显著增大，要想在这样的环境中传递热量，必须提供刚性的接触面。
4.5井结构设计
采用自然冷却的电子设备主要以外壳体为气流的通道，要保证开孔的大小要与冷却空气进出流速相适应，同时要遵照进出风孔尽量远离，且进风口在下，出风口在上的原则；底座或支
架要与外壳体有良好的导热连接，因为热路中的大部分热阻存在于交界面处，所以金属间接触必须清洁，才能保证接触面积尽可能大；并在壳体内外表面涂漆来降低内部器件的温度。
4.6 结构材料的选择
电子设备结构常用的有铝型材搭建成型，各种冷轧与热轧薄钢板材通过剪裁、冲压、弯曲等手段可制成各种机箱零件焊接成型及铸铝铸造成型的。
大多数铸铝箱体采用自然冷却方法，散热量取决于机箱表面积。
若要求机箱的温升保持在一定的范围内，对给定的机箱表面积，所能散发的热量是有限度的。
若超出了限度就要选择通风机箱或是采取强制风冷。
机箱表面积与散热限度的关系如图4：
铝型材搭建成型的机箱与焊接成型的机箱常用强制风冷通风。
强制风冷机箱主要经由机箱表面散热和强制通风带走热量来进行散热。
5 总结
由于很多管理人员及技术人员没有深刻理解热设计及热管理对设备可靠性所起的作用，缺乏热设计的知识，其结果是使设备成本增大。
实际应用中，只要在热设计及热管理上下功夫就可以节约大量设备成本。
电子设备的热设计是必不可少的，在设备的可靠性管理中必须包括热管理，对设备有热设计要严格要求，研制部门必须具有较强的热设计的能力，管理机构需有完整有效的热管理程序。
设备的总体设计（包括元器件、材料、外购件的选用）、布局（包括结构设计）、环境设计中必须包括热设计。
热设计应贯穿在电子设备设计的全过程，并且要与其他设计共同协作，使电子设备具有一个良好的稳定性。
参考文献
[1] 陆廷孝，郑鹏洲.可靠性设计与分析[M].北京：国防工业出版社，1995：79-82.
[2] GJB/Z 27- 1992，电子设备可靠性热设计手册[S].北京：中国标准出版社，1992.
[3] 肖诗唐，钱祖权，华泉宝.电子工艺设备可靠性讲义[M].北京：电子工业部元器件管理局，1986：29-33.。