熱度在上升 — 大功率表面貼裝電阻器

　　前言

　　無源電子元件行業(yè)蒸蒸日上，因?yàn)樾滦捅砻尜N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?yàn)樗鼛砹丝s小電子設(shè)備整體尺寸的機(jī)會。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產(chǎn)生熱量。當(dāng)對電阻器施加更多的功率時，產(chǎn)生的熱量也會更多。如果這些熱量不能從元件中散發(fā)出去，則元件的阻值就會改變，最終會失效。

　　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?shù)难趸X更好的導(dǎo)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(shè)備和電路的其余部分中轉(zhuǎn)移出去。將100W的功率施加到1206尺寸上，電阻器將會快速加熱到超過500°C的溫度;如果沒有正確散熱的話這將熔化焊點(diǎn)，并可能損壞大多數(shù)電氣元件，特別是有源器件。

　　為什么這些電阻器要規(guī)定有這些額定值?由于襯底具有較高的導(dǎo)熱性，而且能夠?qū)崃繌钠骷袀魉统鋈?，所以，器件本身能夠以這些額定功率運(yùn)行。挑戰(zhàn)在于熱量轉(zhuǎn)移到什么地方。制造商在產(chǎn)品資料中加了腳注，指明應(yīng)當(dāng)采用有效的熱管理、精細(xì)的散熱器，或簡單地說，用戶必須將設(shè)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(fù)雜方程來嚇倒讀者。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(shè)計、復(fù)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)通過基板和導(dǎo)體傳導(dǎo)到線路板和跡線(trace)上，以及2)對流到周圍環(huán)境中。

　　圖1. 大功率表面貼裝電阻器的主要傳熱導(dǎo)類型

　　傳導(dǎo)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，器件如何將熱量傳遞到電路板和跡線的一階近似值，即°C/W。這個額定值缺少很多細(xì)節(jié)。主要問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(shù)量將顯著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(shè)備如何測試以確定額定功率或熱阻的細(xì)節(jié)。但在許多情況下，所采用的技術(shù)在應(yīng)用中是不切實(shí)際的。

　　對流是一個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，則可能會對高功率元件和周圍元件造成不利影響，因?yàn)樗鼤柚篃崃客ㄟ^對流方式傳遞出去。強(qiáng)烈建議高功率電阻器不要被封裝起來。

　　一些制造商的額定功率假設(shè)采用無限散熱器。無限散熱器是能夠從設(shè)備中攜帶走無限熱量的散熱器。但這是不現(xiàn)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(Heavy Board Traces):

　　一種簡單而常見的技術(shù)是使用厚板跡線。擴(kuò)大電路板跡線的表面積和體積是一種容易實(shí)現(xiàn)的技術(shù)。由于這些裝置中的大部分傳熱工作是通過傳導(dǎo)來進(jìn)行的，所以這是一種常見的技術(shù)。一個例子如圖2所示。采用這種技術(shù)時有兩個選擇：1)增加跡線的寬度，2)增加走線的厚度。

　　圖2. 實(shí)施厚板跡線的示例

　　這種技術(shù)將電阻器產(chǎn)生的熱量傳播到整個電路板上，從而增加熱量向周圍環(huán)境輻射的面積。當(dāng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時，會出現(xiàn)挑戰(zhàn)。如果設(shè)計中不包括主動熱管理技術(shù)，最終，線路板和周圍環(huán)境將達(dá)到可能超過安全運(yùn)行溫度的峰值溫度。

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

　　熱背板：

　　更健壯的類似技術(shù)是采用一塊熱背板。這種技術(shù)在線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，這將增加通過對流和輻射傳遞熱量的面積。一個例子如圖3所示。同樣，如果不采用主動熱管理，則線路板和周圍環(huán)境可能會超過安全運(yùn)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?yàn)楸嘲逋ǔＪ怯芍劂~制成的。此外，這種技術(shù)將增加設(shè)計重量，并且很可能將線路板限制為單層板，從而會增加線路板的尺寸。

　　油浸：

　　將線路板浸入油中是將熱量從線路板及附接部件中攜帶出去的有效方法。由于油與線路板的每個表面直接接觸，所以熱量傳導(dǎo)非常有效。一個例子如圖4所示。這種技術(shù)所面臨的一些挑戰(zhàn)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，介電性能可能會降低，導(dǎo)致出現(xiàn)電弧，從而導(dǎo)致設(shè)備或線路板發(fā)生故障。所使用的油可能需要專門定制，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，如果不采用主動熱管理，則該技術(shù)在穩(wěn)定狀態(tài)下將面臨限制。固定體積的油最終將達(dá)到可能超過安全運(yùn)行條件的峰值溫度。

　　這種技術(shù)增加了顯著的成本，因?yàn)橛屯ǔ＞哂懈叩某杀?，并且必須有特定的容器來容納油。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(yīng)，也會增加非常高的成本。

　　主動冷卻：

　　主動冷卻線路板可能非常有效，但成本高得多，通常在使用壓縮機(jī)時會大于10,000美元。一種常見的技術(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(nèi)循環(huán)，或者在通過熱方式連接到背板表面的管道內(nèi)循環(huán)。一個例子如圖5所示。該方法也可以與油浴一起使用，其中油通過冷卻器持續(xù)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. 通過熱背板實(shí)現(xiàn)循環(huán)冷卻劑的示例

　　另一種技術(shù)是使用強(qiáng)制通風(fēng)，無論是有條件的還是無條件的。對電路板進(jìn)行強(qiáng)制通風(fēng)相對容易進(jìn)行，而且可以以合理的成本實(shí)現(xiàn)。該技術(shù)的有效性面臨一些限制，因?yàn)樗蕾囉趯α饕约按蠊β孰娮杵鞯谋砻娣e。一個例子如圖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增加熱質(zhì)量和表面積，所以這有助于冷卻過程的進(jìn)行。采用這種技術(shù)需要足夠線路板周圍有充足的富?？臻g，以適當(dāng)?shù)匮h(huán)空氣?？諝馔ǔ１仨氝^濾，以防止污染物降低電子設(shè)備的性能。

　　圖6. 實(shí)施強(qiáng)制風(fēng)冷的示例

　　結(jié)論

　　大功率表面貼裝電阻器即使采用標(biāo)準(zhǔn)的電路板安裝技術(shù)，也能夠提供更高的功率，因?yàn)樗档土艘r底(例如AlN)的熱阻，通常為標(biāo)準(zhǔn)芯片電阻的2至3倍。為了實(shí)現(xiàn)更高的功率，必須采用如本文所討論的更復(fù)雜的技術(shù)。選擇大功率表面貼裝電阻器時，設(shè)計人員必須非常小心。簡單地說，因?yàn)楫a(chǎn)品資料聲稱具有非常高的功率，所以設(shè)計人員就需要承擔(dān)責(zé)任來遵守通常只用小字體注明的特定標(biāo)準(zhǔn)，例如最大表面積或終端溫度。

　　作者：Darin Glenn

　　Darin Glenn目前擔(dān)任Vishay公司的高級工程設(shè)計經(jīng)理。此前，他曾在Viratec 薄膜公司和AGC平板北美公司擔(dān)任職務(wù)。作為ESIA標(biāo)準(zhǔn)委員會的成員，Glenn擁有內(nèi)布拉斯加大學(xué)電氣工程理學(xué)碩士學(xué)位。