大功率器件的散熱設計

隨著(zhù)電子技術(shù)的不斷發(fā)展,大功率器件的發(fā)熱功耗越來(lái)越大、熱流密度不斷增加。產(chǎn)品散熱設計對產(chǎn)品的可靠性有著(zhù)至關(guān)重要的影響。

隨著(zhù)電子技術(shù)的不斷發(fā)展,大功率器件的發(fā)熱功耗越來(lái)越大、熱流密度不斷增加。產(chǎn)品散熱設計對產(chǎn)品的可靠性有著(zhù)至關(guān)重要的影響。要對大功率器件進(jìn)行良好的散熱設計,首先要了解功率器件的熱性能指標,然后通過(guò)選擇合適的散熱方式,正確的風(fēng)道設計以及對散熱器進(jìn)行必要的優(yōu)化分析，最后規范、正確的安裝散熱器使器件達到最佳的散熱效果。

1、器件的熱性能參數

器件廠(chǎng)家會(huì )提供器件的焊接溫度、封裝形式、工作溫度范圍、器件結點(diǎn)溫度限制、內部熱阻等信息，這是參數是進(jìn)行散熱設計的基礎和前提。下面對一些常用熱參數逐一說(shuō)明：

TDP—器件熱耗散功耗，單位W（瓦），表示器件實(shí)際發(fā)熱量的大小

Tc–器件殼體溫度，單位℃

Tj–結點(diǎn)溫度，單位℃。隨著(zhù)結點(diǎn)溫度的提高，半導體器件性能將會(huì )下降。結點(diǎn)溫度超過(guò)最大限制，器件壽命極度下降甚至燒毀。這是進(jìn)行熱設計關(guān)注的焦點(diǎn)。

Ta–環(huán)境溫度，單位℃

Rja–結點(diǎn)到環(huán)境的熱阻，單位℃/W

Rjc–結點(diǎn)到器件殼的熱阻，單位℃/W

歸根到底，熱設計主要任務(wù)是要滿(mǎn)足： Tj< Tj(max)并留有適當的余量（通常要保證有10%以上余量）。

Tj(max)=P* Rjc+ Tc(max)

Tc(max)即器件表面的最高溫度，很顯然散熱設計越成功，Tc(max)就會(huì )越低。

2、散熱方式的選擇

系統散熱方式的選擇應充分考慮系統的發(fā)熱功耗，溫度/體積/重量要求，防護等級，散熱裝置的可操作性，價(jià)格等諸多因素，最終選擇最適合自己產(chǎn)品的、有效的散熱方式。 散熱主要分為：自然散熱、強迫風(fēng)冷。液體冷卻等。目前普遍采用的散熱方式仍然是風(fēng)冷。下表反映了不同散熱方式狀況下熱流密度與溫升的關(guān)系。

自然散熱：通過(guò)空氣的自然對流將熱量帶到周?chē)臻g。這種散熱方式可以用在發(fā)熱功率不大，重量，溫度等要求不高的場(chǎng)合。優(yōu)點(diǎn)：結構簡(jiǎn)單、無(wú)噪音、價(jià)格低廉。

強迫風(fēng)冷：對于發(fā)熱功耗大的器件，選用強迫風(fēng)冷是很必要的，尤其配合一些高效能的散熱器可以達到理想的散熱效果。因為強迫風(fēng)冷換熱效率高，一般是自然散熱方式的數倍。優(yōu)點(diǎn)：散熱效率高，產(chǎn)品重量可被大幅度降低。

3、風(fēng)機選型以及風(fēng)道設計

如果系統采用強迫風(fēng)冷的散熱方式，選擇合適的散熱風(fēng)機直接決定了系統散熱狀況。要進(jìn)行風(fēng)機選型，首先需要確定系統所需要的散熱風(fēng)量，通過(guò)下面的公式計算：

其中?T表示了系統進(jìn)/出風(fēng)口的溫度差。

風(fēng)機的選型要結合系統風(fēng)量需求、系統阻力、風(fēng)扇特性曲線(xiàn)等要求進(jìn)行綜合評估確認。

強迫風(fēng)冷系統風(fēng)道的實(shí)際很關(guān)鍵，風(fēng)道一般分為送風(fēng)和抽風(fēng)兩種方式，這兩種方式的優(yōu)缺點(diǎn)分別是：

送風(fēng)方式：

A、風(fēng)扇出口附近氣流主要為紊流流動(dòng)，局部換熱強烈，宜用于發(fā)熱器件比較集中的情況，此時(shí)必須將風(fēng)扇的主要出風(fēng)口對準集中的發(fā)熱元件

B、吹風(fēng)時(shí)將在設備內形成正壓，可以防止縫隙中的灰塵進(jìn)入設備

C、風(fēng)扇將不會(huì )受到系統散熱量的影響，工作在在較低的空氣溫度下，風(fēng)扇壽命較長(cháng)

抽風(fēng)方式：

A、送風(fēng)均勻，適用于發(fā)熱器件分布比較均勻，風(fēng)道比較復雜的情況

B、進(jìn)入風(fēng)扇的流動(dòng)主要為層流狀態(tài)

C、風(fēng)扇將在出風(fēng)口高溫氣流下工作，壽命會(huì )受影響

D、系統內形成負壓，縫隙中的灰塵將進(jìn)入機柜/箱

4、散熱器優(yōu)化

大功率器件散熱器優(yōu)化主要是對散熱器基板厚度、齒片厚度，間距，高度，表面處理方式等參數進(jìn)行優(yōu)化設計。隨著(zhù)計算機仿真技術(shù)的不斷進(jìn)步，我們可以依托電子熱仿真分析軟件對散熱器進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化的結果準確、直觀(guān)。

5、正確的安裝

正確合理的安裝可以保障散熱產(chǎn)品良好的發(fā)揮其作用，提升產(chǎn)品整體可靠性。我們知道：在散熱產(chǎn)品安裝過(guò)程中主要是要保證器件與散熱器有著(zhù)良好、充分的表面接觸—-使器件與散熱器之間的接觸熱阻盡可能低。

影響接觸熱阻的主要因素有以下幾方面原因

1、接觸面平面度

2、散熱產(chǎn)品與熱源接觸壓力

3、熱界面材料的選用和涂抹

正確涂抹界面材料建議使用專(zhuān)用治具，可以參考下面的圖片，從而保證熱界面材料均勻，通常厚度需要控制在0.12—0.18mm之間。