器件的散熱

1、 散熱的原理與重要性

　　各種功率器件的核心是PN結(jié)，而PN結(jié)的性能與溫度密切相關(guān)。為了保證器件正常工作，必須規(guī)定最高允許結(jié)溫T_jM。當器件流過較大的電流時，在芯片上產(chǎn)生相應(yīng)的功率損耗，引起芯片溫度增加，與最高結(jié)溫對應(yīng)的器件耗散功率即為器件的最大允許耗散功率。器件正常工作時不應(yīng)超過最高結(jié)溫和功率的最大允許值，否則，器件特性將要發(fā)生變化，甚至導(dǎo)致器件產(chǎn)生永久性的損壞現(xiàn)象。

　　芯片溫度的高低與器件內(nèi)部功耗的大小、芯片到外界環(huán)境的傳熱條件（傳熱機構(gòu)、材料、冷卻方式等）及環(huán)境溫度有關(guān)。設(shè)法減小器件的內(nèi)部功耗、改善傳熱條件，對保證器件長期可靠運行有極重要的作用。

　　為了便于散熱，電力電子器件多加裝散熱器，結(jié)溫升高后的散熱過程和路線為：芯片上內(nèi)部功耗產(chǎn)生的熱能以傳導(dǎo)方式由芯片傳到固定它的外殼的底座上，再由外殼將部分熱能以對流和輻射的形式傳到環(huán)境中去，大部分熱能則是通過底座直接傳到散熱器上，最后由散熱器傳到空氣中。

　　熱傳輸是一個比較復(fù)雜的物理過程。前述功率器件的最高允許結(jié)溫是指能正常工作的PN結(jié)最高溫度，工程實際中，結(jié)溫通常是指芯片的平均溫度，由于功率器件的芯片較大，溫度分布是不均勻的，可能出現(xiàn)局部比最高允許結(jié)溫高得多的過熱點，導(dǎo)致器件損壞。所以，規(guī)定的最高允許溫度遠低于其本征失效溫度，且隨設(shè)備可靠性要求的不同而不同，例如對硅功率二極管最高工作結(jié)溫取為135℃~150℃，對軍用設(shè)備取125℃~135℃，對超高可靠性設(shè)備則取105℃。

　　熱傳輸與電傳輸有著極大的相似性，傳輸過程也有穩(wěn)態(tài)與瞬態(tài)之分。當管芯上發(fā)熱率與散熱率相等時，器件達到穩(wěn)定溫升，結(jié)溫不再升高，處于熱均衡關(guān)態(tài)，稱為穩(wěn)態(tài)。當芯片的內(nèi)部功耗恒定時，由于器件具有熱慣性，溫度將逐漸上升；當該功率耗散被切斷時，溫度將逐漸下降，即表現(xiàn)為升溫或降溫的過渡過程，稱為瞬態(tài)。熱傳輸遵從熱路歐姆定律，即

　　式中，   ——溫度差（℃）；

　　          P——功率耗散，即熱流（W）；

 　　　      ——熱阻（℃/W）。

　　式（1）表明，當某一恒定的功率耗散流過物體且溫度達到平衡之后，物體兩端的溫差與熱阻成正比，即熱阻越大溫差越大。

　　器件散熱時的熱阻由兩部分組成：內(nèi)熱阻 ，它是PN結(jié)至上殼的熱阻；外熱阻又分為兩種子， 為外殼至散熱器的熱阻， 為散熱器至環(huán)境介質(zhì)的熱阻。

　　瞬態(tài)條件下，熱阻抗Z是時間的函數(shù)，常用圖1所示的熱阻抗曲線來表示。

　　熱阻抗是器件導(dǎo)通時間t_P和負載功率占空比δ的函數(shù)。占空比δ定義為δ=t_P/T。在給定t_P和δ后，可由曲線查得r(t_P)，從而得到瞬態(tài)熱阻抗，即

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2、  散熱器及其安裝

　　功率器件的正常運行，在很大程度上取決于散熱器的合理選配，以及器件與散熱器之間的裝配質(zhì)量。

　　散熱器是以對流和輻射的方式將熱能傳到環(huán)境中去的，散熱器熱阻   與散熱器的材質(zhì)、結(jié)構(gòu)、表面顏色、冷卻方式及安裝位置有關(guān)。散熱器有平板散熱器、型材散熱器和叉指型散熱器等（圖2）。散熱器表面應(yīng)發(fā)黑處理或鈍化，借此提高輻射系數(shù)，一般黑色散熱器比光亮散熱器可減少10%~15%的熱阻。由于熱氣流相對密度輕，自然向上流動，所以散熱器應(yīng)向上安放，以便形成“煙囪效應(yīng)”，便于散熱。通常垂直安放的熱阻比水平安放的熱阻降低15%~20%。

　　常用的散熱方式有自冷、風冷、水冷和沸騰冷卻4種。

　　自冷是由于空氣的自然對流及輻射作用將熱量帶走的冷卻方式，結(jié)構(gòu)簡單、無噪聲，無需維護；但散熱效率低。

　　風冷是采用強制通風、加強對流的散熱方式，一般為自冷散熱效率的2~4倍，噪聲大。

　　水冷方式散熱效率極高，其對流換熱系數(shù)可達空氣自然換熱系數(shù)的150倍以上，冷卻介質(zhì)除水以外還可采用變壓器油等；但設(shè)備龐雜，投資高，占地面積大。

　　沸騰冷卻是將冷卻介質(zhì)放在密閉容器中，通過媒質(zhì)物相的變化進行冷卻，效率極高，且裝置體積??；但造價昂貴。

　　對于平板散熱器，熱阻可用下式計算，即

　　R_SA=R₁+R₂，{{分頁}}

　　式中，R₁由板的面積決定，正方形平板水平放置時，

　　R₁=595（℃/W）/A；

　　垂直放置時，

　　R₁=505（℃/W）/A；

　　式中，A-平板面積（cm²）。

　　如不是正方形，R₁應(yīng)乘以修正系數(shù)γ，且

　　γ=[1+（a/b）²]/2(a/b)，

　　式中，a，b-板的長和寬，參見圖2(a)。

R₂由板的材料厚度及表面處理情況決定。對拋光鋁板，R₂與板厚的關(guān)系如圖3所示。

　　如果散熱器不是鋁材料，R₂還要乘以系數(shù)σ，對于銅σ=0.743，對于鎂σ=1.38，對于鋼σ=2.1。如果表面黑化處理，則R₁和R₂應(yīng)分別乘以系數(shù)0.55和0.85。

　　叉指型散熱器由于散熱指之間的“煙囪效應(yīng)”利于熱對流，所以在相同熱阻下，叉指型散熱器體積小而質(zhì)量輕。叉指型散熱器的國產(chǎn)型號為SRZ系列。

　　型材散熱器國產(chǎn)型號有XC系列、DXC系列和XSF系列等。

　　器件直接安裝在散熱器上時，由于器件的封裝形式不同，接觸熱阻也不同。接觸熱阻還與器件和散熱器之間是否有墊圈，是否涂有硅脂等情況有關(guān)，當接觸面涂有硅脂時熱阻明顯下降。器件管殼與散熱器兩平面接觸時總是點接觸，隨壓力加大，接觸面加大，接觸熱阻減??；因此要求接觸面應(yīng)當盡量光潔、平整，無劃傷、坑、瘤或異物，必要時還要拋光或加鍍層。