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半导体和电子产品如何有效散热和结温分析

2020年09月24日 12:28 次阅读

电气设计只是电子产品的开始,散热是任何可靠设计都要考虑的重要部分。这篇有关散热设计的文章对老练的工程师来说是温故知新,对菜鸟级工程师来说则是一个新的概念。

半导体达不到100%的效率,功耗会以热能形式散发和转移。由于半导体是靠电能才能工作的器件,散热无论在性能和产品使用寿命方面都起着重要作用。不管是模拟还是数字器件,情况都一样。开关功耗与频率有关,随着半导体和电子产品速度的提升,功耗随之增加。因此,了解器件会产生多少热能以及如何有效散热是很有裨益的。

我们在开始讨论半导体结温议题之前,需要先了解热抗和热阻这两个概念。热抗跟时间有关,而热阻跟稳态工作有关。想象一下在电烤炉上给平底锅加热的情况。需要一段时间才会热起来,对不对?半导体结温也是一样的道理。而热量从半导体结散掉也需要一点时间。明白这个原理是避免器件被烧坏的关键。

功耗主要是由于同时存在电压和电流的传导、开关和瞬态动作所导致。功耗的单位是瓦特。电压乘以电流等于功率(瓦特=伏特×安培)。计算一小段时间的功率,就能得出瞬态热温。然后计算出一段时间内的平均值,就可以得到半导体结的稳态温升数值。

计算功耗是以瓦特为单位,而热阻就是以每瓦特多少摄氏度(℃/W)来衡量。使用因子标签方法,借用由Diodes公司提出的方法和数学公式,我们可以得到:

Rth(JX Θ ) = (Tj –Tx) / P

其中P是从半导体结流向“X”点的耗散功率(热量)。理想情况下,在这个测量过程中,接近100%的功耗应该从结流向“X”点。该数值只取决于热流路径的物理属性,而与功耗大小及该器件所在的电路板尺寸无关。

请注意,希腊字符“theta(θ)”是以℃/W表示的热阻。借助维基百科来查证,我们可以看到热导通路的热阻无非就是一系列串联的电阻,如图1所示。

半导体和电子产品如何有效散热和结温分析

图1:热导通路的热阻无非就是一系列串联的电阻。

现在我们对通路上的温升或温降应该有了基本概念。当然,也有受到外部环境影响的情况,例如高环境温度、空气流动或窒塞,甚至周围器件的发热等。然而,这个公式还是可以让我们了解半导体器件在某些点的温度,这就可以解释为什么表面贴装器件不会直接焊接印刷电路板PCB)上。

在电气分析中,电阻是不具有时变特性的组件。但是,从以上分析我们知道,半导体器件的阻抗是变化的。为了达到均衡电阻的目的,电气工程师将电容与电阻并联,由此产生指数曲线以抵消由简单的数学公式计算出的电阻变化。从某种意义上说,我认为这是电气工程师由于学不好那些烦人的热力学课程而对机械工程师的报复。

责任编辑:gt

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