引言

　　當前,，電子設(shè)備的主要失效形式就是熱失效。據(jù)統(tǒng)計,，電子設(shè)備的失效有55％是溫度超過規(guī)定值引起的,，隨著溫度的增加，電子設(shè)備的失效率呈指數(shù)增長,。所以,，功率器件熱設(shè)計是電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計中不可忽略的一個環(huán)節(jié)，直接決定了產(chǎn)品的成功與否,，良好的熱設(shè)計是保證設(shè)備運行穩(wěn)定可靠的基礎(chǔ),。

　　功率器件熱性能的主要參數(shù)

　　功率器件受到的熱應(yīng)力可來自器件內(nèi)部，也可來自器件外部,。若器件的散熱能力有限,，則功率的耗散就會造成器件內(nèi)部芯片有源區(qū)溫度上升及結(jié)溫升高，使得器件可靠性降低,，無法安全工作,。表征功率器件熱能力的參數(shù)主要有結(jié)溫和熱阻。

　　器件的有源區(qū)可以是結(jié)型器件(如晶體管)的PN結(jié)區(qū),、場效應(yīng)器件的溝道區(qū),，也可以是集成電路的擴散電阻或薄膜電阻等。當結(jié)溫Tj高于周圍環(huán)境溫度Ta時,，熱量通過溫差形成擴散熱流,，由芯片通過管殼向外散發(fā)，散發(fā)出的熱量隨著溫差(Tj-Ta)的增大而增大,。為了保證器件能夠長期正常工作,，必須規(guī)定一個最高允許結(jié)溫 Tj max。Tj max的大小是根據(jù)器件的芯片材料,、封裝材料和可靠性要求確定的,。

　　功率器件的散熱能力通常用熱阻表征,，記為Rt,，熱阻越大，則散熱能力越差,。熱阻又分為內(nèi)熱阻和外熱阻：內(nèi)熱阻是器件自身固有的熱阻,，與管芯,、外殼材料的導熱率、厚度和截面積以及加工工藝等有關(guān),；外熱阻則與管殼封裝的形式有關(guān),。一般來說，管殼面積越大,，則外熱阻越小,。金屬管殼的外熱阻明顯低于塑封管殼的外熱阻。

　　當功率器件的功率耗散達到一定程度時,，器件的結(jié)溫升高,，系統(tǒng)的可靠性降低，為了提高可靠性,，應(yīng)進行功率器件的熱設(shè)計,。

　　功率器件熱設(shè)計

　　功率器件熱設(shè)計主要是防止器件出現(xiàn)過熱或溫度交變引起的熱失效，可分為器件內(nèi)部芯片的熱設(shè)計,、封裝的熱設(shè)計和管殼的熱設(shè)計以及功率器件實際使用中的熱設(shè)計,。

　　對于一般的功率器件，只需要考慮器件內(nèi)部,、封裝和管殼的熱設(shè)計,，而當功耗較大時，則需要安裝合適的散熱器,，通過其有效散熱,，保證器件結(jié)溫在安全結(jié)溫之內(nèi)正常可靠的工作,。

　　散熱計算

　　最常用的散熱方法是將功率器件安裝在散熱器上,，利用散熱器將熱量散到周圍空間，必要時再加上散熱風扇,，以一定的風速加強散熱,。在某些大型設(shè)備的功率器件上還采用流動冷水冷卻板，它有更好的散熱效果,。散熱計算就是在一定的工作條件下,，通過計算來確定合適的散熱措施及散熱器。

　　熱量在傳遞過程中有一定熱阻,。由器件管芯傳到器件底部的熱阻為Rjc,，器件底部與散熱器之間的熱阻為Rcs，散熱器將熱量散到周圍空間的熱阻為Rsa,，總的熱阻Rja=Rjc+Rcs+Rsa。若器件的最大功率損耗為Pd,，并已知器件允許的結(jié)溫為Tj,、環(huán)境溫度為Ta，可以按下式求出允許的總熱阻Rja。

　　Rja ≤(Tj-Ta)/Pd

　　則計算最大允許的散熱器到環(huán)境溫度的熱阻Rsa為：

　　Rsa ≤(Tj-Ta)/Pd-(Rjc+Rcs)

　　為設(shè)計考慮,，一般設(shè)Tj為125℃,。在較壞的環(huán)境溫度情況下，一般設(shè)Ta=40℃~60℃,。Rjc的大小與管芯的尺寸和封裝結(jié)構(gòu)有關(guān),，一般可以從器件的數(shù)據(jù)資料中找到。Rcs的大小與安裝技術(shù)及器件的封裝有關(guān),。如果器件采用導熱油脂或?qū)釅|后,，再與散熱器安裝，其Rcs典型值為0.1℃/W~0.2℃/W,；若器件底面不絕緣,，需要另外加云母片絕緣，則其Rcs可達1℃/W,。Pd為實際的最大損耗功率,，可根據(jù)不同器件的工作條件計算而得。這樣,，Rsa可以計算出來,，根據(jù)計算的Rsa值可選合適的散熱器了。

　　計算實例

　　一功率運算放大器PA02作低頻功放,，器件為8引腳TO-3金屬外殼封裝,。器件工作條件如下：工作電壓Vs為18V，負載阻抗RL為4劍繃魈跫鹿ぷ髕德士紗?kHz,，環(huán)境溫度設(shè)為40℃,，采用自然冷卻。

　　查PA02器件資料可知：靜態(tài)電流Iq典型值為27mA,，最大值為40mA,；器件的Rjc(從管芯到外殼)典型值為2.4℃/W，最大值為2.6℃/W,。

　　器件的功耗為Pd：

　　Pd=Pdq+Pdout

　　式中Pdq為器件內(nèi)部電路的功耗,，Pdout為輸出功率的功耗。Pdq=Iq(Vs+|-Vs|),，Pdout＝Vs2/(4 RL),，代入上式

　　Pd＝Iq(Vs+|-Vs|)＋Vs2/(4 RL)

　　＝0.037×(18+18)＋182/(4×4)

　?。?1.6 W

　　式中,，靜態(tài)電流取37mA。

　　散熱器熱阻Rsa計算：Rsa ≤(Tj-Ta)/Pd-(Rjc+Rcs)

　　為留有余量,，Tj設(shè)為125℃,，Ta設(shè)為40℃,，Rjc取最大值(Rjc=2.6℃/W)，Rcs取0.2℃/W(PA02直接安裝在散熱器上,，中間有導熱油脂),。將上述數(shù)據(jù)代入公式得：

　　Rsa≤(125-40)/21.6-(2.6+0.2)≤1.135℃/W

　　HSO4在自然對流時熱阻為0.95℃/W，可滿足散熱要求,。

　　散熱器的選取

　　散熱器一般是標準件,，也可提供型材，由用戶根據(jù)要求切割成一定長度而制成非標準的散熱器,。散熱器的表面處理有電泳涂漆或黑色氧極化處理,，其目的是提高散熱效率及絕緣性能。在自然冷卻下可提高10%~15%,，在通風冷卻下可提高3%,，電泳涂漆可耐壓500V~800V。散熱器廠家對不同型號的散熱器給出熱阻值或給出有關(guān)曲線,，并且給出在不同散熱條件下的不同熱阻值。

　　功率器件使用散熱器是要控制功率器件的溫度,，尤其是結(jié)溫Tj,，使其低于功率器件正常工作的安全結(jié)溫，從而提高功率器件的可靠性,。常規(guī)散熱器趨向標準化,、系列化、通用化,，而新產(chǎn)品則向低熱阻,、多功能,、體積小,、質(zhì)量輕、適用于自動化生產(chǎn)與安裝等方向發(fā)展,。合理地選用,、設(shè)計散熱器，能有效降低功率器件的結(jié)溫,，提高功率器件的可靠性,。

　　各種功率器件的內(nèi)熱阻不同，安裝散熱器時由于接觸面和安裝力矩的不同,，會導致功率器件與散熱器之間的接觸熱阻不同。選擇散熱器的主要依據(jù)是散熱器熱阻Rtf,。在不同的環(huán)境條件下,，功率器件的散熱情況也不同,。因此，選擇合適的散熱器還要考慮環(huán)境因素,、散熱器與功率器件

的匹配情況以及整個電子設(shè)備的體積、質(zhì)量等因素,。

　　首先根據(jù)功率器件正常工作時的性能參數(shù)和環(huán)境參數(shù),，計算功率器件結(jié)溫是否工作在安全結(jié)溫之內(nèi)，判斷是否需要安裝散熱器,，如需安裝則計算相應(yīng)的散熱器熱阻,，初選一散熱器；重新計算功率器件結(jié)溫,，判斷功率器件結(jié)溫是否在安全結(jié)溫范圍之內(nèi),，從而判斷所選散熱器是否滿足要求；對于符合要求的散熱器,，應(yīng)根據(jù)實際工程需要進行優(yōu)化設(shè)計,。

　　結(jié)語

　　通過功率器件發(fā)熱原理的分析和散熱計算，可以指導設(shè)計散熱方式和散熱器的選擇,，保證了功率器件工作在安全的溫度范圍內(nèi),，減少了質(zhì)量問題，提高了電子產(chǎn)品的可靠性,。電子設(shè)備的可靠性還同元器件,、結(jié)構(gòu)、裝配,、工藝、加工質(zhì)量等有關(guān),，在實際工程應(yīng)用上,，還應(yīng)通過各種試驗取得反饋數(shù)據(jù)來完善設(shè)計，進一步提高電子設(shè)備的可靠性,。

　　參考文獻

　　1 王建石編. 電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計標準手冊. 北京:中國標準出版社,，2001,10