半導(dǎo)體器件的散熱器設(shè)計(jì)-基礎(chǔ)電子

精品文檔-下載后可編輯半導(dǎo)體器件的散熱器設(shè)計(jì)-基礎(chǔ)電子半導(dǎo)體開關(guān)器件所產(chǎn)生的熱量，在開關(guān)電源中占主導(dǎo)地位，其熱量主要于半導(dǎo)體開關(guān)器件的開通、關(guān)斷及導(dǎo)通損耗。采用軟開關(guān)方式（ZCS或ZVS）可以使電路中的電壓或電流在過零時(shí)開通或關(guān)斷，可以大限度地減少開關(guān)損耗，但是也無法徹底消除開關(guān)管的損耗，故利用散熱器是常用的主要方法之一。

1散熱器的熱阻模型

散熱器是開關(guān)電源的重要組成元件，它的散熱效果的好與壞關(guān)系到開關(guān)電源的工作性能。散熱器通常采用銅或鋁，雖然銅的熱導(dǎo)率比鋁高兩倍，但其價(jià)格比鋁高得多，故目前普遍采用鋁型材做散熱器。鋁型材的表面積越大，其散熱效果越好。散熱器的熱阻模型及其等效電路如圖1（a）、（b）所示。

圖1散熱器的熱阻模型及其等效電路

半導(dǎo)體結(jié)溫公式如下：

式中PC——功率開關(guān)管工作時(shí)的損耗；PCmax——功率開關(guān)管的額定損耗；Tj——功率開關(guān)管的結(jié)溫；Tjmax——功率開關(guān)管的允許結(jié)溫；Ta——環(huán)境溫度；Tc——預(yù)定的工作環(huán)境溫度；Rs——絕墊熱阻；Rc——接觸熱阻（半導(dǎo)體管和散熱器的接觸部分）；Rf——散熱器的熱阻（散熱器與空氣）；Ri——內(nèi)部熱阻（PN結(jié)接合部與外殼封裝）；Rb——外部熱阻（夕卜殼封裝與空氣）。

根據(jù)圖（b）所示的熱阻等效電路，全熱阻可以寫成為

Rj-a=Ri+[Rb.(Rs+Rc+Rf)]/(Rb+Rs+Rc+Rf)

因?yàn)镽b》（Rs+Rc+Rf）,故可以近似認(rèn)為

Rj-a=Ri+Rs+Rc+Rf

（1）PN結(jié)與外部封裝之間的熱阻抗（又叫內(nèi)部熱阻抗）Ri與半導(dǎo)體PN結(jié)構(gòu)造、所用材料、外部封裝內(nèi)的填充物直接相關(guān)，每種半導(dǎo)體都有自身圃有的熱阻抗。

（2）接觸熱阻抗Rc是由半導(dǎo)體、封裝形式和散熱器的接觸面狀態(tài)所決定的。接觸面的平坦度、粗糙度、接觸面積、安裝方式等，都會(huì)對(duì)它產(chǎn)生影響。當(dāng)接觸面不平整、不光滑或接觸面緊固力不足時(shí)，就會(huì)增大接觸熱阻抗Rc。在半導(dǎo)體管和散熱器之間涂上硅油時(shí)，可以增大接觸面積，排除接觸面之間的空氣，硅油本身又具有良好的導(dǎo)熱性，可以大大降低接觸熱阻抗Rc。

當(dāng)前有一種新型的相變材料，專門設(shè)計(jì)用以采取代硅油作為傳熱界面，在65℃（相變溫度）時(shí)從固體變?yōu)榱黧w，從而可以確保界面的完全潤(rùn)濕，該材料的觸變特性可以使其避免流到界面外。它的傳熱效果與硅油相當(dāng)，但沒有硅油帶來的污垢，環(huán)境污染和難以操作的缺點(diǎn)?？梢杂糜诓恍枰姎饨^緣的場(chǎng)合。典型的應(yīng)用包括CPU散熱片、功率轉(zhuǎn)換模塊，或者其他任何簧片固定的硅油應(yīng)用場(chǎng)合，它可以涂布在鋁質(zhì)基材的兩面，可以單面附膠、雙面附膠或不附膠。

（3）絕緣墊熱阻Rs。絕緣墊用于半導(dǎo)體器件和散熱器之間的絕緣，絕緣墊的熱阻抗R，取決于絕緣材料的材質(zhì)、厚度和面積。表1中列出了幾種常用半導(dǎo)體封裝形式的Rs+Rc。

表1幾種封裝形式的Rs+Rc

（4）散熱器熱阻抗Rf。散熱器的熱阻抗Rf與散熱器的表面積、表面積處理方式、散熱器表面空氣的風(fēng)速、散熱器與周圍的溫度差有關(guān)。因此一般都會(huì)設(shè)法增強(qiáng)散熱器的散熱效果，主要的方法有增加散熱器的表面積、設(shè)計(jì)合理的散熱風(fēng)道、增加散熱器表面的風(fēng)速等。散熱器的散熱面積設(shè)計(jì)值如圖2所示。

但是如果過于追求散熱器的表面積，而使散熱器的叉指過于密集則會(huì)影響到空氣的對(duì)流，熱空氣不易于流動(dòng)也會(huì)降低散熱效果。自然風(fēng)冷時(shí)散熱器的叉指間距應(yīng)適當(dāng)增大，選擇強(qiáng)制風(fēng)冷時(shí)，則可以適當(dāng)減小叉指的間距，如圖3所示。

圖2散熱器的散熱面積設(shè)計(jì)值圖3散熱器的叉指間距選擇

（5）散熱器的表面積計(jì)算。

式中△T——散熱器溫度與周圍環(huán)境溫度（Ta）之差（℃）；α——傳導(dǎo)系數(shù)，是由空氣的物理性質(zhì)及空氣流速?zèng)Q定的。α的值可以表示為

式中λ——熱電導(dǎo)率由空氣的物理性質(zhì)決定；L——散熱器高度；Nu——空氣流速系數(shù)。

凡的值由式（14－13）決定

式