大功率電子元器件及設(shè)備結(jié)構(gòu)的熱設(shè)計(jì)

白琳　劉娟

摘 要：電子元器件以及電子設(shè)備已經(jīng)在人們生產(chǎn)生活當(dāng)中的各個(gè)領(lǐng)域內(nèi)所應(yīng)用。隨著電子元器件的集成度越來(lái)越高以及功率要求越來(lái)越大，因此必然會(huì)引起電器元器件的熱效應(yīng)，因此對(duì)于大功率電子元器件或電子設(shè)備需要進(jìn)行熱設(shè)計(jì)。文章對(duì)大功率電子元器件及設(shè)備結(jié)構(gòu)熱設(shè)計(jì)的考慮因素，設(shè)計(jì)流程及要求以及主要參數(shù)計(jì)算等均作了簡(jiǎn)單闡述，可以對(duì)研究大功率電子元器件及設(shè)備結(jié)構(gòu)的熱設(shè)計(jì)起到積極作用。

關(guān)鍵詞：大功率；電子元器件；電子設(shè)備；熱設(shè)計(jì)

前言

隨著現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展，電子設(shè)備已經(jīng)在人們的生產(chǎn)生活當(dāng)中得到普遍應(yīng)用。因此電子設(shè)備的可靠性對(duì)于人們的生產(chǎn)生活具有十分重要的作用。特別是在一些關(guān)鍵或核心領(lǐng)域，即使是一個(gè)小的電子元器件出現(xiàn)問(wèn)題，都極易可能造成極大的危害。特別是近些年隨著硅集成電路的普遍應(yīng)用，電路的集成得到了成倍的增加，因此各電子元器件或芯片的熱量也得到了相應(yīng)的增加。同時(shí)在電子產(chǎn)品小型化，高功率的背景下，電子元器件或電子設(shè)備的散熱問(wèn)題就成為了保障設(shè)備安全可靠的關(guān)鍵性問(wèn)題。因此對(duì)于現(xiàn)代電子元器件或電子設(shè)備若想保持安全可靠性就需要采取科學(xué)合理的熱設(shè)計(jì)。

1 大功率電子元器件及設(shè)備結(jié)構(gòu)熱設(shè)計(jì)的考慮因素

1.1 大功率電子元器件及設(shè)備結(jié)構(gòu)的傳熱方式

大功率電子元器件及設(shè)備結(jié)構(gòu)的傳熱方式有三種，即導(dǎo)熱、對(duì)流和輻射。其中導(dǎo)熱基本是由氣體分子不規(guī)則運(yùn)動(dòng)時(shí)相互碰撞，金屬自由電子的運(yùn)動(dòng)，非導(dǎo)電固體晶格結(jié)構(gòu)的振動(dòng)以及液體彈性波產(chǎn)生的。對(duì)流則是指流體各部分之間發(fā)生相對(duì)位移時(shí)所引起的熱量傳遞過(guò)程。對(duì)流僅發(fā)生在流體中，且必然伴隨著導(dǎo)熱現(xiàn)象。流體流過(guò)某物體表面時(shí)所發(fā)生的熱交換過(guò)程稱(chēng)為對(duì)流。輻射主要為電磁波一般考察與太陽(yáng)、空間環(huán)境間的傳熱時(shí)才考慮，其輻射傳熱系數(shù)為：

1.2 大功率電子元器件結(jié)溫

從廣義上將元器件的有源區(qū)稱(chēng)為“結(jié)”，而將元器件的有源區(qū)溫度稱(chēng)為“結(jié)溫”。元器件的有源區(qū)可以是結(jié)型器件的Pn結(jié)區(qū)，場(chǎng)效應(yīng)器件的溝道區(qū)或肖特器件的接觸勢(shì)壘區(qū)，也可以是集成電路的擴(kuò)散電阻或薄膜電阻等，默認(rèn)為芯片上的最高溫度。大功率電子元器件的最高結(jié)溫，對(duì)于硅器件塑料封裝為125～150℃，金屬封裝為150～200℃。對(duì)于鍺器件為70～90℃當(dāng)結(jié)溫較高時(shí)（如大于50℃），結(jié)溫每降低40～50℃，元器件壽命可提高約一個(gè)數(shù)量級(jí)。所以對(duì)于航空航天和軍事領(lǐng)域應(yīng)用的元器件，由于有特別長(zhǎng)壽命或低維護(hù)性要求，并受更換費(fèi)用限制以及須承受頻繁的功率波動(dòng)，平均結(jié)溫要求低于60℃。

1.3 大功率電子元器件的熱環(huán)境

元器件的環(huán)境溫度是指元器件工作時(shí)周?chē)橘|(zhì)的溫度。對(duì)安裝密度高的元器件的環(huán)境溫度只考慮其附近的對(duì)流換熱量，而不包括輻射換熱和導(dǎo)熱。熱環(huán)境按下列條件設(shè)定，冷卻劑的種類(lèi)、溫度、壓力和速度；設(shè)備的表面溫度、性質(zhì)和黑度；電子元器件和設(shè)備周?chē)膫鳠嵬緩健?/p>

2 大功率電子元器件及設(shè)備結(jié)構(gòu)熱設(shè)計(jì)的流程及要求

2.1 設(shè)計(jì)流程及要求

大功率電子元器件及設(shè)備結(jié)構(gòu)熱設(shè)計(jì)其實(shí)質(zhì)是利用熱的傳遞特性。在設(shè)計(jì)上利用一些冷卻裝置進(jìn)而將電子元器件及設(shè)備的熱量進(jìn)行轉(zhuǎn)移。其主要目的就是要為電子元器件及電子設(shè)備創(chuàng)造良好的熱環(huán)境。因此其設(shè)計(jì)的主要環(huán)節(jié)為掌握各個(gè)環(huán)節(jié)的熱效應(yīng)參數(shù)，并通過(guò)合理的冷卻裝置達(dá)到設(shè)備可靠性的要求。大功率電子元器件及設(shè)備結(jié)構(gòu)熱設(shè)計(jì)的流程為首先明確熱設(shè)計(jì)目的，而后掌握熱設(shè)計(jì)原則，了解熱設(shè)計(jì)的要求和步驟，利用正確的熱設(shè)計(jì)方法最終得出熱設(shè)計(jì)報(bào)告。一般熱設(shè)計(jì)的要求應(yīng)滿(mǎn)足電子元器件或電子設(shè)備的允許最高工作溫度，滿(mǎn)足電子元器件或電子設(shè)備的熱環(huán)境工作要求，滿(mǎn)足電子元器件或電子設(shè)備冷卻系統(tǒng)的限制要求，滿(mǎn)足相應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范。

2.2 設(shè)計(jì)原則

（1）電子元器件或電子設(shè)備的升溫由散熱量來(lái)控制；（2）大功率電子元器件及設(shè)備結(jié)構(gòu)熱設(shè)計(jì)必須選擇合理的熱傳遞方式；（3）電子元器件或電子設(shè)備的功耗、熱阻及溫度是設(shè)計(jì)當(dāng)中的重要參數(shù)；（4）選取冷卻系統(tǒng)應(yīng)注重簡(jiǎn)單、有效、經(jīng)濟(jì)并適用于環(huán)境條件的要求；（5）要通盤(pán)考慮尺寸、重量、電路布局等綜合性因素；（6）熱設(shè)計(jì)需要與電氣和機(jī)械設(shè)計(jì)緊密配合并保持實(shí)時(shí)性；（7）熱設(shè)計(jì)不允許有損于電子元器件或電子設(shè)備的電性能；（8）其他具體性要求要根據(jù)產(chǎn)品的實(shí)際需求綜合考慮，并允許出現(xiàn)大的容差。

3 大功率電子元器件及設(shè)備結(jié)構(gòu)熱設(shè)計(jì)的主要參數(shù)計(jì)算

3.1 元器件總熱阻

元器件總熱阻=內(nèi)熱阻+表面熱阻+外熱阻，其中內(nèi)熱阻一般由元器件生產(chǎn)商提供與設(shè)計(jì)和生產(chǎn)方法有關(guān)，不是嚴(yán)格意義上的內(nèi)熱阻，不受外部散熱翅片或其它散熱方式影響。表面熱阻為元件封裝上表面與散熱翅片下表面間隙間的導(dǎo)熱接觸熱阻無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，即使最準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)測(cè)量也會(huì)有20%的誤差。外熱阻是電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)工程師可改變的以散熱翅片為例，外熱阻與翅片材料的導(dǎo)熱系數(shù)、翅片效率、表面面積和表面對(duì)流換熱系數(shù)有關(guān)。

3.2 熱沉和熱流分配

熱流量經(jīng)傳熱途徑至最終的部位，通稱(chēng)為“熱沉”。它的溫度不隨傳遞到它的熱量大小而變，它相當(dāng)于一個(gè)無(wú)限大的容器，可能是大氣、大地、大體積的水或宇宙，這取決于被冷卻設(shè)備所處的環(huán)境。電子設(shè)備內(nèi)的熱流量以多種形式通過(guò)不同的路徑進(jìn)行傳遞，最后達(dá)到熱沉，使各個(gè)節(jié)點(diǎn)的溫度保持在所要求的數(shù)值范圍內(nèi)。從實(shí)際傳熱觀點(diǎn)而言，熱設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)利用中間散熱器，它們一般都屬于設(shè)備的一部分。它們可以是設(shè)備的底座、外殼或機(jī)柜、冷板、肋片式散熱器或設(shè)備中的空氣、液體等冷卻劑。

3.3 理論耗散功耗

電子器件產(chǎn)生的熱量是其正常工作時(shí)必不可少的副產(chǎn)物。當(dāng)電流流過(guò)半導(dǎo)體或者無(wú)源器件時(shí)，一部分功率就會(huì)以熱能的形式散失掉。耗散功率為：Pd=VI

如果電壓或者電流隨時(shí)間變化，則耗散功率由平均耗散功率給出：

3.4 電感和電容

電感電路中沒(méi)有能量損耗，但是，在儲(chǔ)能、釋能過(guò)程中，電感與電源之間不斷地進(jìn)行著能量互換。這種能量互換的規(guī)模通常為無(wú)功功率PQ。由兩個(gè)金屬板極并在其間夾有電絕緣介質(zhì)構(gòu)成的能夠積累電荷、儲(chǔ)存電場(chǎng)能量的元件。電容器不消耗電源能量，只是與電源作周期性能量互換。

3.5 冷卻方法的選擇

溫升為40度時(shí)，各種冷卻方法的熱流密度和體積功率密度值。冷卻方法可以根據(jù)熱流密度與溫升的要求，按圖所示關(guān)系進(jìn)行選擇，這種方法適用于溫升要求不同的各類(lèi)設(shè)備的冷卻。利用金屬導(dǎo)熱是最基本的傳熱方法，其熱路容易控制。而輻射換熱則需要比較高的溫差，且傳熱路徑不易控制。對(duì)流換熱需要較大的面積。在安裝密度較高的設(shè)備內(nèi)部難以滿(mǎn)足要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，大功率電子元器件及設(shè)備結(jié)構(gòu)的熱設(shè)計(jì)首先要掌握大功率電子元器件及設(shè)備結(jié)構(gòu)的傳熱方式，大功率電子元器件結(jié)溫和大功率電子元器件的熱環(huán)境。在這一基礎(chǔ)上通過(guò)相應(yīng)的設(shè)計(jì)流程和原則對(duì)元器件總熱阻，熱沉和熱流分配，理論耗散功耗以及電感和電容等參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，最終選定冷卻方法進(jìn)而完成大功率電子元器件及設(shè)備結(jié)構(gòu)的熱設(shè)計(jì)。

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