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。為了保證器件正常工作，必須規(guī)定最高允許結溫T_jM。當器件流過較大的電流時，在芯片上產生相應的功率損耗，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。器件正常工作時不應超過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，甚至導致器件產生永久性的損壞現(xiàn)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。設法減小器件的內部功耗、改善傳熱條件，對保證器件長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程和路線為：芯片上內部功耗產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。

　　熱傳輸是一個比較復雜的物理過程。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(xiàn)局部比最高允許結溫高得多的過熱點，導致器件損壞。所以，規(guī)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極大的相似性，傳輸過程也有穩(wěn)態(tài)與瞬態(tài)之分。當管芯上發(fā)熱率與散熱率相等時，器件達到穩(wěn)定溫升，結溫不再升高，處于熱均衡關態(tài)，稱為穩(wěn)態(tài)。當芯片的內部功耗恒定時，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，溫度將逐漸下降，即表現(xiàn)為升溫或降溫的過渡過程，稱為瞬態(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)境介質的熱阻。

　　瞬態(tài)條件下，熱阻抗Z是時間的函數(shù)，常用圖1所示的熱阻抗曲線來表示。

　　熱阻抗是器件導通時間t_P和負載功率占空比δ的函數(shù)。占空比δ定義為δ=t_P/T。在給定t_P和δ后，可由曲線查得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、結構、表面顏色、冷卻方式及安裝位置有關。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(shù)，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，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，結構簡單、無噪聲，無需維護；但散熱效率低。

　　風冷是采用強制通風、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(shù)可達空氣自然換熱系數(shù)的150倍以上，冷卻介質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放在密閉容器中，通過媒質物相的變化進行冷卻，效率極高，且裝置體積小；但造價昂貴。

　　對于平板散熱器，熱阻可用下式計算，即

　　R_SA=R₁+R₂，{{分頁}}

　　式中，R₁由板的面積決定，正方形平板水平放置時，

　　R₁=595（℃/W）/A；

　　垂直放置時，

　　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(shù)γ，且

　　γ=[1+（a/b）²]/2(a/b)，

　　式中，a，b-板的長和寬，參見圖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與板厚的關系如圖3所示。

　　如果散熱器不是鋁材料，R₂還要乘以系數(shù)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(shù)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量輕。叉指型散熱器的國產型號為SRZ系列。

　　型材散熱器國產型號有XC系列、DXC系列和XSF系列等。

　　器件直接安裝在散熱器上時，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，當接觸面涂有硅脂時熱阻明顯下降。器件管殼與散熱器兩平面接觸時總是點接觸，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，無劃傷、坑、瘤或異物，必要時還要拋光或加鍍層。