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器件的散熱

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作者: 時(shí)間:2007-12-17 來(lái)源:電子元器件網(wǎng) 收藏

1、 的原理與重要性

  各種功率的核心是PN結(jié),而PN結(jié)的性能與溫度密切相關(guān)。為了保證正常工作,必須規(guī)定最高允許結(jié)溫TjM。當(dāng)流過(guò)較大的電流時(shí),在芯片上產(chǎn)生相應(yīng)的功率損耗,引起芯片溫度增加,與最高結(jié)溫對(duì)應(yīng)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(yīng)超過(guò)最高結(jié)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(dǎo)致器件產(chǎn)生永久性的損壞現(xiàn)象。

  芯片溫度的高低與器件內(nèi)部功耗的大小、芯片到外界環(huán)境的傳熱條件(傳熱機(jī)構(gòu)、材料、冷卻方式等)及環(huán)境溫度有關(guān)。設(shè)法減小器件的內(nèi)部功耗、改善傳熱條件,對(duì)保證器件長(zhǎng)期可靠運(yùn)行有極重要的作用。

  為了便于,電力電子器件多加裝器,結(jié)溫升高后的散熱過(guò)程和路線為:芯片上內(nèi)部功耗產(chǎn)生的熱能以傳導(dǎo)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(duì)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(fù)雜的物理過(guò)程。前述功率器件的最高允許結(jié)溫是指能正常工作的PN結(jié)最高溫度,工程實(shí)際中,結(jié)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(jié)溫高得多的過(guò)熱點(diǎn),導(dǎo)致器件損壞。所以,規(guī)定的最高允許溫度遠(yuǎn)低于其本征失效溫度,且隨設(shè)備可靠性要求的不同而不同,例如對(duì)硅功率二極管最高工作結(jié)溫取為135℃~150℃,對(duì)軍用設(shè)備取125℃~135℃,對(duì)超高可靠性設(shè)備則取105℃。

  熱傳輸與電傳輸有著極大的相似性,傳輸過(guò)程也有穩(wěn)態(tài)與瞬態(tài)之分。當(dāng)管芯上發(fā)熱率與散熱率相等時(shí),器件達(dá)到穩(wěn)定溫升,結(jié)溫不再升高,處于熱均衡關(guān)態(tài),稱為穩(wěn)態(tài)。當(dāng)芯片的內(nèi)部功耗恒定時(shí),由于器件具有熱慣性,溫度將逐漸上升;當(dāng)該功率耗散被切斷時(shí),溫度將逐漸下降,即表現(xiàn)為升溫或降溫的過(guò)渡過(guò)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(dāng)某一恒定的功率耗散流過(guò)物體且溫度達(dá)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(nèi)熱阻 ,它是PN結(jié)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(shù),常用圖1所示的熱阻抗曲線來(lái)表示。

  熱阻抗是器件導(dǎo)通時(shí)間tP和負(fù)載功率占空比δ的函數(shù)。占空比δ定義為δ=tP/T。在給定tP和δ后,可由曲線查得r(tP),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(yùn)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(duì)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(jié)構(gòu)、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(yīng)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(duì)密度輕,自然向上流動(dòng),所以散熱器應(yīng)向上安放,以便形成“煙囪效應(yīng)”,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(duì)流及輻射作用將熱量帶走的冷卻方式,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)噪聲,無(wú)需維護(hù);但散熱效率低。

  風(fēng)冷是采用強(qiáng)制通風(fēng)、加強(qiáng)對(duì)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(duì)流換熱系數(shù)可達(dá)空氣自然換熱系數(shù)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(shè)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?。坏靸r(jià)昂貴。

  對(duì)于平板散熱器,熱阻可用下式計(jì)算,即

  RSA=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(yīng)乘以修正系數(shù)γ,且

  γ=[1+(a/b)2]/2(a/b),

  式中,a,b-板的長(zhǎng)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(duì)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(shù)σ,對(duì)于銅σ=0.743,對(duì)于鎂σ=1.38,對(duì)于鋼σ=2.1。如果表面黑化處理,則R1和R2應(yīng)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(yīng)”利于熱對(duì)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(guó)產(chǎn)型號(hào)為SRZ系列。

  型材散熱器國(guó)產(chǎn)型號(hào)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(dāng)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,接觸熱阻減小;因此要求接觸面應(yīng)當(dāng)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。



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