熱度在上升 — 大功率表面貼裝電阻器

　　前言

　　無(wú)源電子元件行業(yè)蒸蒸日上，因為新型表面貼裝大功率器件，尤其是電阻器正在被廣泛采用。這是令人興奮的，因為它帶來(lái)了縮小電子設備整體尺寸的機會(huì )。但遺憾的是，我們不得不遵守物理學(xué)定律。電阻器由于它們的特性而必定會(huì )產(chǎn)生熱量。當對電阻器施加更多的功率時(shí)，產(chǎn)生的熱量也會(huì )更多。如果這些熱量不能從元件中散發(fā)出去，則元件的阻值就會(huì )改變，最終會(huì )失效。

　　有些新技術(shù)利用氮化鋁(AlN)陶瓷取代了在1206尺寸上提供極高功率額定值(例如，大于100瓦)的氧化鋁。AlN陶瓷具有比接近氧化鈹的氧化鋁更好的導熱性。乍一看，這是非常令人興奮和令人印象深刻的，但人們最終必須考慮如何將大量的熱量從設備和電路的其余部分中轉移出去。將100W的功率施加到1206尺寸上，電阻器將會(huì )快速加熱到超過(guò)500°C的溫度;如果沒(méi)有正確散熱的話(huà)這將熔化焊點(diǎn)，并可能損壞大多數電氣元件，特別是有源器件。

　　為什么這些電阻器要規定有這些額定值?由于襯底具有較高的導熱性，而且能夠將熱量從器件中傳送出去，所以，器件本身能夠以這些額定功率運行。挑戰在于熱量轉移到什么地方。制造商在產(chǎn)品資料中加了腳注，指明應當采用有效的熱管理、精細的散熱器，或簡(jiǎn)單地說(shuō)，用戶(hù)必須將設備溫度保持在給定溫度，例如。155℃。

　　對這些高功率電阻器而言，實(shí)施必要的熱管理是否容易或者是否具有較好的成本效益?不是的。這篇文章并不打算用熱力學(xué)理論和復雜方程來(lái)嚇倒讀者。而是打算討論一些管理高功率表面貼裝電阻產(chǎn)生的熱量的技術(shù)，以及它們對空間設計、復雜性和成本的影響。

　　背景

　　對于大功率表面貼裝電阻器，主要有兩種傳熱方式：1)通過(guò)基板和導體傳導到線(xiàn)路板和跡線(xiàn)(trace)上，以及2)對流到周?chē)h(huán)境中。

　　圖1. 大功率表面貼裝電阻器的主要傳熱導類(lèi)型

　　傳導是傳熱的主要手段，因此許多制造商為其裝置提供熱阻。熱阻給出了在施加功率時(shí)，器件如何將熱量傳遞到電路板和跡線(xiàn)的一階近似值，即°C/W。這個(gè)額定值缺少很多細節。主要問(wèn)題是用于確立該額定值的測試卡的屬性。例如，在測試卡上所使用的銅的數量將顯著(zhù)影響所得到的器件的熱阻。一些制造商提供關(guān)于他們的設備如何測試以確定額定功率或熱阻的細節。但在許多情況下，所采用的技術(shù)在應用中是不切實(shí)際的。

　　對流是一個(gè)需要考慮的重要因素，特別是在電路板被封閉的情況下。輻射的熱量可能會(huì )將環(huán)境溫度迅速提高到不安全和有害的水平。如果電路板被封裝起來(lái)，則可能會(huì )對高功率元件和周?chē)斐刹焕绊?，因為它?huì )阻止熱量通過(guò)對流方式傳遞出去。強烈建議高功率電阻器不要被封裝起來(lái)。

　　一些制造商的額定功率假設采用無(wú)限散熱器。無(wú)限散熱器是能夠從設備中攜帶走無(wú)限熱量的散熱器。但這是不現實(shí)的，因此可能需要限制可施加于組件的功率。

　　熱管理技術(shù)

　　厚板跡線(xiàn)(Heavy Board Traces):

　　一種簡(jiǎn)單而常見(jiàn)的技術(shù)是使用厚板跡線(xiàn)。擴大電路板跡線(xiàn)的表面積和體積是一種容易實(shí)現的技術(shù)。由于這些裝置中的大部分傳熱工作是通過(guò)傳導來(lái)進(jìn)行的，所以這是一種常見(jiàn)的技術(shù)。一個(gè)例子如圖2所示。采用這種技術(shù)時(shí)有兩個(gè)選擇：1)增加跡線(xiàn)的寬度，2)增加走線(xiàn)的厚度。

　　圖2. 實(shí)施厚板跡線(xiàn)的示例

　　這種技術(shù)將電阻器產(chǎn)生的熱量傳播到整個(gè)電路板上，從而增加熱量向周?chē)h(huán)境輻射的面積。當達到穩態(tài)時(shí)，會(huì )出現挑戰。如果設計中不包括主動(dòng)熱管理技術(shù)，最終，線(xiàn)路板和周?chē)h(huán)境將達到可能超過(guò)安全運行溫度的峰值溫度。

　　這種技術(shù)通常具有較低的成本。但由于跡線(xiàn)所使用的金屬(通常是銅)的數量，因此仍然存在較高的成本。此外，還需要增加線(xiàn)路板的重量和尺寸才能適應厚板跡線(xiàn)。

　　熱背板：

　　更健壯的類(lèi)似技術(shù)是采用一塊熱背板。這種技術(shù)在線(xiàn)路板的背面使用一塊較大的銅板將熱量從電路上傳送出去。與厚板跡線(xiàn)技術(shù)相同的是，熱量也是散布在大塊熱物體上，這將增加通過(guò)對流和輻射傳遞熱量的面積。一個(gè)例子如圖3所示。同樣，如果不采用主動(dòng)熱管理，則線(xiàn)路板和周?chē)h(huán)境可能會(huì )超過(guò)安全運行溫度。

　　圖3. 實(shí)施熱背板的示例

　　這種技術(shù)增加了較高的成本，因為背板通常是由重銅制成的。此外，這種技術(shù)將增加設計重量，并且很可能將線(xiàn)路板限制為單層板，從而會(huì )增加線(xiàn)路板的尺寸。

　　油浸：

　　將線(xiàn)路板浸入油中是將熱量從線(xiàn)路板及附接部件中攜帶出去的有效方法。由于油與線(xiàn)路板的每個(gè)表面直接接觸，所以熱量傳導非常有效。一個(gè)例子如圖4所示。這種技術(shù)所面臨的一些挑戰是油污染和材料兼容性。油必須具有非常好的介電性能。如果油被污染，介電性能可能會(huì )降低，導致出現電弧，從而導致設備或線(xiàn)路板發(fā)生故障。所使用的油可能需要專(zhuān)門(mén)定制，并且可能與高功率電阻器、其他部件或者甚至焊料等材料不兼容。

　　圖4. 實(shí)施浸油的實(shí)例

　　同樣，如果不采用主動(dòng)熱管理，則該技術(shù)在穩定狀態(tài)下將面臨限制。固定體積的油最終將達到可能超過(guò)安全運行條件的峰值溫度。

　　這種技術(shù)增加了顯著(zhù)的成本，因為油通常具有更高的成本，并且必須有特定的容器來(lái)容納油。此外，在許多情況下，需要使用金觸點(diǎn)/端子以避免與油產(chǎn)生化學(xué)反應，也會(huì )增加非常高的成本。

　　主動(dòng)冷卻：

　　主動(dòng)冷卻線(xiàn)路板可能非常有效，但成本高得多，通常在使用壓縮機時(shí)會(huì )大于10,000美元。一種常見(jiàn)的技術(shù)是采用一種不停地循環(huán)冷卻劑的冷卻器。這可以與熱背板一起使用，其中冷卻劑在背板中的通道內循環(huán)，或者在通過(guò)熱方式連接到背板表面的管道內循環(huán)。一個(gè)例子如圖5所示。該方法也可以與油浴一起使用，其中油通過(guò)冷卻器持續不斷地循環(huán)。這兩種技術(shù)都是從熱背板或油浴中把熱量“泵抽”出去。

　　圖5. 通過(guò)熱背板實(shí)現循環(huán)冷卻劑的示例

　　另一種技術(shù)是使用強制通風(fēng)，無(wú)論是有條件的還是無(wú)條件的。對電路板進(jìn)行強制通風(fēng)相對容易進(jìn)行，而且可以以合理的成本實(shí)現。該技術(shù)的有效性面臨一些限制，因為它依賴(lài)于對流以及大功率電阻器的表面積。一個(gè)例子如圖6所示。大功率電阻器可以被封裝在散熱片中，由于散熱片能夠顯著(zhù)增加熱質(zhì)量和表面積，所以這有助于冷卻過(guò)程的進(jìn)行。采用這種技術(shù)需要足夠線(xiàn)路板周?chē)谐渥愕母辉？臻g，以適當地循環(huán)空氣?？諝馔ǔ１仨氝^(guò)濾，以防止污染物降低電子設備的性能。

　　圖6. 實(shí)施強制風(fēng)冷的示例

　　結論

　　大功率表面貼裝電阻器即使采用標準的電路板安裝技術(shù)，也能夠提供更高的功率，因為它降低了襯底(例如AlN)的熱阻，通常為標準芯片電阻的2至3倍。為了實(shí)現更高的功率，必須采用如本文所討論的更復雜的技術(shù)。選擇大功率表面貼裝電阻器時(shí)，設計人員必須非常小心。簡(jiǎn)單地說(shuō)，因為產(chǎn)品資料聲稱(chēng)具有非常高的功率，所以設計人員就需要承擔責任來(lái)遵守通常只用小字體注明的特定標準，例如最大表面積或終端溫度。

　　作者：Darin Glenn

　　Darin Glenn目前擔任Vishay公司的高級工程設計經(jīng)理。此前，他曾在Viratec 薄膜公司和AGC平板北美公司擔任職務(wù)。作為ESIA標準委員會(huì )的成員，Glenn擁有內布拉斯加大學(xué)電氣工程理學(xué)碩士學(xué)位。