功率器件的热设计

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1、关于“功率器件热设计及发展进程“的报告随着电子设备复杂性的增加，如果各种发热元件散发出来的热量不能够及时散发出去，就会造成热量的积聚，从而导致各个元器件的温度超过各自所能承受的极限，使得电子设备的可靠性大大降低。当前，电子设备的主要失效形式之一就是热失效。据统计，电子设备的失效有5%是温度超过规定值引起的，随着温度的增加，电了设备的失效率呈指数增长趋势。所以，功率器件热设计是电子设备结构设计中不可忽略的一个环节，它的好坏直接决定了产品设计的成功与否。良好的热设计是保证设备运行稳定性与可靠性的基础。1・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

2、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Tj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，散发岀的热量随着温差的增大而增大。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TjmaxoTjmax的大小是根据器件

3、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

4、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。2.散热计算任何器件在工作时都有一定的损耗，大部分的损耗变成热量。小功率器件损耗小，无需散热装置。而大功率器件损耗大，若不采取散热措施，则管芯的温度可达到或超过允许的结温，器件将受到损坏。因此必须加散热装置，最常用的就是将功率器件安装在散热器上，利用散热器将

5、热量散到周围空间，必要时再加上散热风扇，以一定的风速加强冷却散热。在某些大型设备的功率器件上还采用流动冷水冷却板，它有更好的散热效果。散热计算就是在一定的工作条件下，通过计算来确定合适的散热措施和选择散热器。功率器件安装在散热器上，它的主要热流方向是由管芯传到器件的底部，经散热器将热量散到周围空间，这称为自然冷却或自然对流散热。热量在传递过程有一定热阻。由器件管芯传到器件底部的热阻为Rjc,器件底部与散热器之间的热阻为Res,散热器将热量散到周围空间的热阻为Rsa,总的热阻Rjc二Rjc+Rcs+Rsa。若器件的最大功率损耗为PD,并已知器件允许的结温为Tj、环境温度为Ta,可以按下

6、式求出允许的总热阻RjaoRjaW(Tj—Ta)/P°则计算最大允许的散热器到环境温度的热阻Rso为：RsAW({T_{J}—T_{A}}ovcr{P_{D}})二(Rc+Rcs)出于为设计留有余地的考虑，设Jt为125°C。环境温度也要考虑较坏的情况，设Ta=40r〜60C。Rjc的大小与管芯的尺寸封装结构有关，一般可以从器件的数据资料中找到。Res的大小与安装技术及器件的封装有关。如果器件采用导热油脂或导热垫后，再与散热器安装，其Res典型值为0.1〜0.2C/W；若器件底面不绝缘，需要另外加云母片绝缘，则其Res可达1°C/W。Pd为实际的最大损耗功率，可根据不同器件的工作条件

7、计算而得。这样，Rsa可以计算出来,根据计算的Rsa值可选合适的散热器了。注意事项：'(1)在计算中不能取器件数据资料中的最大功耗值，而要根据实际条件来计算;数据资料中的最大结温一般为1500C,在设计中留有余地取1250C,环境温度也不能取250C(要考虑夏天及机箱的实际温度)o(2)散热器的安装要考虑利于散热的方向，并且要在机箱或机壳上相应的位置开散热孔(使冷空气从底部进人，热空气从顶部散出).(3)若器件的外壳为一电极，则安装面不绝缘(与内部电路不绝