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功率器件热设计及散热计算

导读: 当前,电子设备的主要失效形式就是热失效。据统计,电子设备的失效有55%是温度超过规定值引起的,随着温度的增加,电子设备的失效率呈指数增长。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,直接决定了产品的成功与否,良好的热设计是保证设备运行稳定可靠的基础。

  引言

 

  当前,电子设备的主要失效形式就是热失效。据统计,电子设备的失效有55%是温度超过规定值引起的,随着温度的增加,电子设备的失效率呈指数增长。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,直接决定了产品的成功与否,良好的热设计是保证设备运行稳定可靠的基础。

 

  

 

  功率器件热性能的主要参数

 

  功率器件受到的热应力可来自器件内部,也可来自器件外部。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,无法安全工作。表征功率器件热能力的参数主要有结温和热阻。

  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,散发出的热量随着温差(Tj-Ta)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 Tj max。Tj max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。

 

  功率器件热设计

 

  功率器件热设计主要是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。

  对于一般的功率器件,只需要考虑器件内部、封装和管壳的热设计,而当功耗较大时,则需要安装合适的散热器,通过其有效散热,保证器件结温在安全结温之内正常可靠的工作。

 

  散热计算

 

  最常用的散热方法是将功率器件安装在散热器上,利用散热器将热量散到周围空间,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及散热器。

  热量在传递过程中有一定热阻。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Rcs,散热器将热量散到周围空间的热阻为Rsa,总的热阻Rja=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,可以按下式求出允许的总热阻Rja。

  Rja ≤(Tj-Ta)/Pd

  则计算最大允许的散热器到环境温度的热阻Rsa为:

  Rsa ≤(Tj-Ta)/Pd-(Rjc+Rcs)

  为设计考虑,一般设Tj为125℃。在较坏的环境温度情况下,一般设Ta=40℃~60℃。Rjc的大小与管芯的尺寸和封装结构有关,一般可以从器件的数据资料中找到。Rcs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Rcs典型值为0.1℃/W~0.2℃/W;若器件底面不绝缘,需要另外加云母片绝缘,则其Rcs可达1℃/W。Pd为实际的最大损耗功率,可根据不同器件的工作条件计算而得。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。

 

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