器件的散熱

1、 散熱的原理與重要性

　　各種功率器件的核心是PN結，而PN結的性能與溫度密切相關(guān)。為了保證器件正常工作，必須規定最高允許結溫T_jM。當器件流過(guò)較大的電流時(shí)，在芯片上產(chǎn)生相應的功率損耗，引起芯片溫度增加，與最高結溫對應的器件耗散功率即為器件的最大允許耗散功率。器件正常工作時(shí)不應超過(guò)最高結溫和功率的最大允許值，否則，器件特性將要發(fā)生變化，甚至導致器件產(chǎn)生永久性的損壞現象。

　　芯片溫度的高低與器件內部功耗的大小、芯片到外界環(huán)境的傳熱條件（傳熱機構、材料、冷卻方式等）及環(huán)境溫度有關(guān)。設法減小器件的內部功耗、改善傳熱條件，對保證器件長(cháng)期可靠運行有極重要的作用。

　　為了便于散熱，電力電子器件多加裝散熱器，結溫升高后的散熱過(guò)程和路線(xiàn)為：芯片上內部功耗產(chǎn)生的熱能以傳導方式由芯片傳到固定它的外殼的底座上，再由外殼將部分熱能以對流和輻射的形式傳到環(huán)境中去，大部分熱能則是通過(guò)底座直接傳到散熱器上，最后由散熱器傳到空氣中。

　　熱傳輸是一個(gè)比較復雜的物理過(guò)程。前述功率器件的最高允許結溫是指能正常工作的PN結最高溫度，工程實(shí)際中，結溫通常是指芯片的平均溫度，由于功率器件的芯片較大，溫度分布是不均勻的，可能出現局部比最高允許結溫高得多的過(guò)熱點(diǎn)，導致器件損壞。所以，規定的最高允許溫度遠低于其本征失效溫度，且隨設備可靠性要求的不同而不同，例如對硅功率二極管最高工作結溫取為135℃~150℃，對軍用設備取125℃~135℃，對超高可靠性設備則取105℃。

　　熱傳輸與電傳輸有著(zhù)極大的相似性，傳輸過(guò)程也有穩態(tài)與瞬態(tài)之分。當管芯上發(fā)熱率與散熱率相等時(shí)，器件達到穩定溫升，結溫不再升高，處于熱均衡關(guān)態(tài)，稱(chēng)為穩態(tài)。當芯片的內部功耗恒定時(shí)，由于器件具有熱慣性，溫度將逐漸上升；當該功率耗散被切斷時(shí)，溫度將逐漸下降，即表現為升溫或降溫的過(guò)渡過(guò)程，稱(chēng)為瞬態(tài)。熱傳輸遵從熱路歐姆定律，即

　　式中，   ——溫度差（℃）；

　　          P——功率耗散，即熱流（W）；

 　　　      ——熱阻（℃/W）。

　　式（1）表明，當某一恒定的功率耗散流過(guò)物體且溫度達到平衡之后，物體兩端的溫差與熱阻成正比，即熱阻越大溫差越大。

　　器件散熱時(shí)的熱阻由兩部分組成：內熱阻 ，它是PN結至上殼的熱阻；外熱阻又分為兩種子， 為外殼至散熱器的熱阻， 為散熱器至環(huán)境介質(zhì)的熱阻。

　　瞬態(tài)條件下，熱阻抗Z是時(shí)間的函數，常用圖1所示的熱阻抗曲線(xiàn)來(lái)表示。

　　熱阻抗是器件導通時(shí)間t_P和負載功率占空比δ的函數。占空比δ定義為δ=t_P/T。在給定t_P和δ后，可由曲線(xiàn)查得r(t_P)，從而得到瞬態(tài)熱阻抗，即

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2、  散熱器及其安裝

　　功率器件的正常運行，在很大程度上取決于散熱器的合理選配，以及器件與散熱器之間的裝配質(zhì)量。

　　散熱器是以對流和輻射的方式將熱能傳到環(huán)境中去的，散熱器熱阻   與散熱器的材質(zhì)、結構、表面顏色、冷卻方式及安裝位置有關(guān)。散熱器有平板散熱器、型材散熱器和叉指型散熱器等（圖2）。散熱器表面應發(fā)黑處理或鈍化，借此提高輻射系數，一般黑色散熱器比光亮散熱器可減少10%~15%的熱阻。由于熱氣流相對密度輕，自然向上流動(dòng)，所以散熱器應向上安放，以便形成“煙囪效應”，便于散熱。通常垂直安放的熱阻比水平安放的熱阻降低15%~20%。

　　常用的散熱方式有自冷、風(fēng)冷、水冷和沸騰冷卻4種。

　　自冷是由于空氣的自然對流及輻射作用將熱量帶走的冷卻方式，結構簡(jiǎn)單、無(wú)噪聲，無(wú)需維護；但散熱效率低。

　　風(fēng)冷是采用強制通風(fēng)、加強對流的散熱方式，一般為自冷散熱效率的2~4倍，噪聲大。

　　水冷方式散熱效率極高，其對流換熱系數可達空氣自然換熱系數的150倍以上，冷卻介質(zhì)除水以外還可采用變壓器油等；但設備龐雜，投資高，占地面積大。

　　沸騰冷卻是將冷卻介質(zhì)放在密閉容器中，通過(guò)媒質(zhì)物相的變化進(jìn)行冷卻，效率極高，且裝置體積??；但造價(jià)昂貴。

　　對于平板散熱器，熱阻可用下式計算，即

　　R_SA=R₁+R₂，{{分頁(yè)}}

　　式中，R₁由板的面積決定，正方形平板水平放置時(shí)，

　　R₁=595（℃/W）/A；

　　垂直放置時(shí)，

　　R₁=505（℃/W）/A；

　　式中，A-平板面積（cm²）。

　　如不是正方形，R₁應乘以修正系數γ，且

　　γ=[1+（a/b）²]/2(a/b)，

　　式中，a，b-板的長(cháng)和寬，參見(jiàn)圖2(a)。

R₂由板的材料厚度及表面處理情況決定。對拋光鋁板，R₂與板厚的關(guān)系如圖3所示。

　　如果散熱器不是鋁材料，R₂還要乘以系數σ，對于銅σ=0.743，對于鎂σ=1.38，對于鋼σ=2.1。如果表面黑化處理，則R₁和R₂應分別乘以系數0.55和0.85。

　　叉指型散熱器由于散熱指之間的“煙囪效應”利于熱對流，所以在相同熱阻下，叉指型散熱器體積小而質(zhì)量輕。叉指型散熱器的國產(chǎn)型號為SRZ系列。

　　型材散熱器國產(chǎn)型號有XC系列、DXC系列和XSF系列等。

　　器件直接安裝在散熱器上時(shí)，由于器件的封裝形式不同，接觸熱阻也不同。接觸熱阻還與器件和散熱器之間是否有墊圈，是否涂有硅脂等情況有關(guān)，當接觸面涂有硅脂時(shí)熱阻明顯下降。器件管殼與散熱器兩平面接觸時(shí)總是點(diǎn)接觸，隨壓力加大，接觸面加大，接觸熱阻減??；因此要求接觸面應當盡量光潔、平整，無(wú)劃傷、坑、瘤或異物，必要時(shí)還要拋光或加鍍層。