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1、Philips Semiconductors_Thermal ManagementChapter 7_2:Thermal Considerations for Power SemiconductorsYi Dao 2006_03_05-15所有半导体的失效机制都与温度有关。所以结温越低，电路可靠性越高。因此，我们数据 给出的结温应不能超过在最恶劣情况下的结温。然而，从Tjmax降额工作温度来更好地增强 可靠性总是值得的。结温依赖于器件上的功耗和与器件有关的热阻。 这一部分所给出的公式和图表仅作为设计Heatsink的指导。因为heatsink的热阻取决于许 多不可预估的参数。包括heatsin
2、k上功率管的位置，气流能够自由流动的范围，heatsink 各个边的长度比，邻近元件掩蔽（screening effect）的影响以及从这些元件上的热影响 。对一个装备来说，确认在最恶劣情况下运行时一些重要的温度是明智的。散热的情况越 复杂，确认那些温度就变得越重要。 Section 7-2: Heat DissipationHeat Flow Path： 半导体芯片上产生的热会通过各种途径传到周 边。小信号器件通常不需要散热器，热量从 junction流向于case紧密相连的mounting base（基板），然后通过对流和幅射散发到周 围去（surroundings）。如图1（a）示。然后
3、 功率管由于具有较高的功耗所以通常会连接到 散热器上。通过接触面的压力热量从case到 heatsink，然后heatsink通过对流和辐射散热 到周围，或者通过传导散到cooling water.图 1(b).一般来说空气冷却常用，图中ambient指 的是周围空气。注意如果指的是一个装备内部 的空气，在装备内部和外部之间的附加热阻应 该被考虑Section 7-2: Heat DissipationContact Thermal Resistance Rth mb-h： 在功率管基板和heatsink之间的热阻与接触面的质量和尺寸，介质，接触压力有关。在散热器 上钻孔时要注意避免金属的毛边
4、和扭曲，接触的啮合面应该很光洁。油漆抛光（paint finishes）的正常厚度最多为50um（为防止电解腐蚀），几乎不会影响热阻。功率管的case和 散热器表面不可能完美的平坦，所以只可能是一些点接触，剩余的区域有小的气隙。通过使用 软的物质来填充气隙，从而降低接触面热阻。正常情况下，用散热的复合物来填充气隙，在功 率管正常工作温度下共保留相当的粘性，并且有较高的热传导率。同时这种填充物也能防止接 触面上有湿气渗入。 heatsinking compounds由a silicone grease loaded with some electrically insulating good t
5、hermally conducting powder such as alumina. 当通过自然对流来降温时，接触面的 热阻Rth mb-h比起来（Rth j-mb+Rth h-amb）来说是很小的。然而，heatsink热阻Rth h-amb当 使用强制风冷或水冷时是很小的，因此，在功率管case和散热器间紧密的热接触是非常重要的 。 Thermal Resistance Calculations: 图1a所示为不用散热器时,在junction和环境的整个热阻. Rthj_amb = Rth j_mb+ Rth mb_amb 然而,功率管一般会加装散热器,因为Rthj_amb一般不会小的足
6、够保 持chip温度在所需水平下.图1b所示为当加heatsink时,整个的热阻: Rthj_amb=Rthj_mb+Rthmb_h+Rth h_amb. 注意从晶体管的case到surroundings通过Rthmb_amb直接散发的热损 耗相当小.决定heatsink尺寸和材质的第一步是计算最大的heatsink 热阻Rth h_amb来保持结温在desired value值以下.Continuous operationIntermittent operation 图1中的热等效电路对于Intermittent operation是 不合适的。热阻Zth j-mb应该被考虑： Ptot M
7、=(Tj-Tmb)/Zth j-mb,因此，Tmb=Tj-Ptot M*Zth j-mb. 基板温度在间断的工作状态总是假定是恒定的。这种 假设在脉冲时间小于大约1S时实际应用中应是合理的 。基板温度不会有大的变化在这些条件下（如图2示 ），这是因为heatsink有一个高的热容易，一个高的 热 time-constant. 因此等式6对间断工作时是有合理的，如果脉冲时间 小于1S时。Tmb值可以通过式7来计算，heatsink热阻 可以通过式6来获得。 热时间常数（thermal time constant）定义：在恒 定的基板温度和恒定功耗下，结温到达其最终值的 70%时所需的时间。 如果
8、脉冲持续时间超过1S，晶体管处于一个暂时的热 平衡，既然其持续时间比起大多晶体管的thermal time-constant要大得多。因此，当脉冲时间超过1S ，Tj-Tmb会达到一个稳定的最终值（图3），等式7需 改成： Tmb=Tj-PtotM*Rth j-mb. 另外，因为脉冲时间相对于散热器的热时间常数不再 是很小，那么，对基板温度是常数的假设也不再成立 。Intermittent operation在实际中,对于间断工作状态可以利用散热器的热容量来设 计更小的散热器,比起来连接功耗模式.在等式(6)的平均功 耗可以用峰值功率损耗来替换,来获得在散热器和环境之间 的热阻值Small h
9、eatsinks for intermittent operationZ th h_amb的值比起相比较的热阻小得多,因此可以设计 更小的散热器,比起来用等式(6)计算出来的更大的值. Heatsink: 散热器一般用的有三种: flat plates(including chassis), diecast finned(鳍)heatsinks, and extruded(挤压的)finned heatsinks. 材料一般用铝, 尽管在flat-sheet heatsinks中铜更有优势. Small finned clips有时被用来提高散热能力在低功率晶体 管中. Heat sink f
10、inish: Heatsink的热阻是表面光洁度的函数.涂漆的表面比起 来没有上漆的有更大的辐射能力.对于平板的散热器这 一点最显著,因为其1/3的热量通过辐射散掉.漆的颜色 相对来说不重要.一个涂亮白色的散热器的热阻仅仅比 涂有暗黑色漆的高大约3%. 对于有鳍的散热器,涂漆的 影响相对不大,因为热量大多会从一些鳍辐射到另外相 邻的鳍上,但这仍有意义,因为anodising and etching(氧化+蚀刻)对降低散热系数. 金属性的漆,例 如铝涂料,其辐射率最低,尽管比起明亮的铝金属 finish要好上十倍.Flat-plate heatsinks 最简单的散热器是平的金属板,晶体管被附着
11、在上 面.这些散热器被用在分立基板的形式以及器件自 身底板. 热阻与厚度,面积,板的位置,以及光洁度, 功耗有关. 一个水平贴片的板(plate)比起垂直贴 片的大约两倍的热阻.这对于器件底板自身被用作 散热器来说更为重要. 如图4示, 一个涂黑的散热器热阻对于表面区域(一 边),以及功耗为参数. The graph is accurate to within 25% for nearly square plates, where the ratio of the lengths of the sides is less than 1.25 : 1.Finned heatsinks 有鳍的散热
12、器用堆彻的平面板制成,尽管通常用压铸件或模 压散热器更经济(diecast or extruded).图5是散热器的比 较(鳍片垂直贴片).另外,图象准确率为25%.Heatsink dimensions: 在不损害晶体管时保证足够的散热能力的最大热阻能 够计算,如前讨论.这部分解释怎么得到散热器的形式 和尺寸,以获得足够低的热阻 Natural air cooling: 铝散热器所需尺寸,无论是平面的还是 冲压的(finned)都可以从图6的计算图 中推导出来. 象所有的散热器图表,列线 图不能给出基于尺寸函数的精确的Rth h-amb的值,因为实际条件总是会有偏 离列线图所画出的.散热器热
13、阻的实际 值会有至多10%的误差,比起列线图来. 因此,建议测试抛光器件的温度特别是 热条件很临界的情况.列线图所应用的条件如下:Forced air cooling 如果热阻需要比1C/W还要小得多或者散热器不太大,可以通过风扇来提供 强制风冷.除了散热器的尺寸,热阻仅仅依赖于风速.如果冷却空气流动平行 于鳍并且其速度足够快(0.5m/s),热阻会变得几乎和功耗,散热器的位置无 关.注意空气流的turbulence(湍流,动荡)会导致测试实际值偏离理论值. 图11显示了压铸散热器情况下强制风冷的热阻.也显示了通过强制风冷能够 减少热阻或者散热器长度. 在平板散热器中forced air cooling的影响如图12示.同上,功耗和散热器位 置对热阻几乎没有影响,如果气流足够快. 图12Summary大多数功率管需要散热器,一旦能够保证器件结温在额定值 以下的热阻计算出来,散热器的大致尺寸和形式能够被选择 确定. 功率管实际工作条件可能会不同于用于决定散热器 的理论分析的条件,因此,在设计的装备中总是要测试温度. 最终,一些应用需要小的散热器,或者要求低的热阻,在这种 情况下,可以通过风扇进行强制风冷来达到 .END
