中心論題：

• 介紹功率器件熱性能的主要參數
• 如何進行熱設計和散熱計算

解決方案：

• 結合實例計算散熱
• 選用符合要求的散熱器

引言
當前，電子設備的主要失效形式就是熱失效。據統計，電子設備的失效有55％shiwenduchaoguoguidingzhiyinqide
，suizhewendudezengjia
，dianzishebeideshixiaolvchengzhishuzengchang。suoyi，gonglvqijianreshejishidianzishebeijiegoushejizhongbukehulvedeyigehuanjie，zhijiejuedinglechanpindechenggongyufou，lianghaodereshejishibaozhengshebeiyunxingwendingkekaodejichu。

 
功率器件熱性能的主要參數
功(gong)率(lv)器(qi)件(jian)受(shou)到(dao)的(de)熱(re)應(ying)力(li)可(ke)來(lai)自(zi)器(qi)件(jian)內(nei)部(bu)，也(ye)可(ke)來(lai)自(zi)器(qi)件(jian)外(wai)部(bu)。若(ruo)器(qi)件(jian)的(de)散(san)熱(re)能(neng)力(li)有(you)限(xian)，則(ze)功(gong)率(lv)的(de)耗(hao)散(san)就(jiu)會(hui)造(zao)成(cheng)器(qi)件(jian)內(nei)部(bu)芯(xin)片(pian)有(you)源(yuan)區(qu)溫(wen)度(du)上(shang)升(sheng)及(ji)結(jie)溫(wen)升(sheng)高(gao)，使(shi)得(de)器(qi)件(jian)可(ke)靠(kao)性(xing)降(jiang)低(di)，無(wu)法(fa)安(an)全(quan)工(gong)作(zuo)。表(biao)征(zheng)功(gong)率(lv)器(qi)件(jian)熱(re)能(neng)力(li)的(de)參(can)數(shu)主(zhu)要(yao)有(you)結(jie)溫(wen)和(he)熱(re)阻(zu)。
　　
器件的有源區可以是結型器件(如晶體管)的PN結區、場效應器件的溝道區，也可以是集成電路的擴散電阻或薄膜電阻等。當結溫Tj高於周圍環境溫度Ta時，熱量通過溫差形成擴散熱流，由芯片通過管殼向外散發，散發出的熱量隨著溫差(Tj-Ta)的增大而增大。為了保證器件能夠長期正常工作，必須規定一個最高允許結溫 Tj max。Tj max的大小是根據器件的芯片材料、封裝材料和可靠性要求確定的。

功率器件的散熱能力通常用熱阻表征，記為Rt
，熱阻越大，則散熱能力越差。熱阻又分為內熱阻和外熱阻：內熱阻是器件自身固有的熱阻，與管芯
、外殼材料的導熱率
、厚度和截麵積以及加工工藝等有關
；外熱阻則與管殼封裝的形式有關。一般來說，管殼麵積越大，則外熱阻越小。金屬管殼的外熱阻明顯低於塑封管殼的外熱阻。
　　
當功率器件的功率耗散達到一定程度時，器件的結溫升高
，係統的可靠性降低
，為了提高可靠性，應進行功率器件的熱設計。
　　
功率器件熱設計
功率器件熱設計主要是防止器件出現過熱或溫度交變引起的熱失效
，可分為器件內部芯片的熱設計
、封裝的熱設計和管殼的熱設計以及功率器件實際使用中的熱設計。
　　
對於一般的功率器件，隻需要考慮器件內部、封裝和管殼的熱設計，而當功耗較大時，則需要安裝合適的散熱器，通過其有效散熱，保證器件結溫在安全結溫之內正常可靠的工作。

散熱計算
最(zui)常(chang)用(yong)的(de)散(san)熱(re)方(fang)法(fa)是(shi)將(jiang)功(gong)率(lv)器(qi)件(jian)安(an)裝(zhuang)在(zai)散(san)熱(re)器(qi)上(shang)，利(li)用(yong)散(san)熱(re)器(qi)將(jiang)熱(re)量(liang)散(san)到(dao)周(zhou)圍(wei)空(kong)間(jian)，必(bi)要(yao)時(shi)再(zai)加(jia)上(shang)散(san)熱(re)風(feng)扇(shan)，以(yi)一(yi)定(ding)的(de)風(feng)速(su)加(jia)強(qiang)散(san)熱(re)。在(zai)某(mou)些(xie)大(da)型(xing)設(she)備(bei)的(de)功(gong)率(lv)器(qi)件(jian)上(shang)還(hai)采(cai)用(yong)流(liu)動(dong)冷(leng)水(shui)冷(leng)卻(que)板(ban)，它(ta)有(you)更(geng)好(hao)的(de)散(san)熱(re)效(xiao)果(guo)。散(san)熱(re)計(ji)算(suan)就(jiu)是(shi)在(zai)一(yi)定(ding)的(de)工(gong)作(zuo)條(tiao)件(jian)下(xia)
，通(tong)過(guo)計(ji)算(suan)來(lai)確(que)定(ding)合(he)適(shi)的(de)散(san)熱(re)措(cuo)施(shi)及(ji)散(san)熱(re)器(qi)。
　　
熱量在傳遞過程中有一定熱阻。由器件管芯傳到器件底部的熱阻為Rjc，器件底部與散熱器之間的熱阻為Rcs，散熱器將熱量散到周圍空間的熱阻為Rsa，總的熱阻Rja=Rjc+Rcs+Rsa。若器件的最大功率損耗為Pd，並已知器件允許的結溫為Tj、環境溫度為Ta，可以按下式求出允許的總熱阻Rja。
　　
Rja ≤(Tj-Ta)/Pd
　　
則計算最大允許的散熱器到環境溫度的熱阻Rsa為：
　　
Rsa ≤(Tj-Ta)/Pd-(Rjc+Rcs)
　　
為設計考慮，一般設Tj為125℃。在較壞的環境溫度情況下
，一般設Ta=40℃~60℃。Rjc的大小與管芯的尺寸和封裝結構有關

，一般可以從器件的數據資料中找到。Rcs的大小與安裝技術及器件的封裝有關。如果器件采用導熱油脂或導熱墊後，再與散熱器安裝，其Rcs典型值為0.1℃/W~0.2℃/W
；若器件底麵不絕緣，需要另外加雲母片絕緣
，則其Rcs可達1℃/W。Pd為實際的最大損耗功率，可根據不同器件的工作條件計算而得。這樣，Rsa可以計算出來
，根據計算的Rsa值可選合適的散熱器了。
　　
計算實例
一功率運算放大器PA02作低頻功放，器件為8引腳TO-3金屬外殼封裝。器件工作條件如下：工作電壓Vs為18V，負載阻抗RL為4劍繃魈跫鹿ぷ髕德士紗?kHz，環境溫度設為40℃
，采用自然冷卻。
　　
查PA02器件資料可知：靜態電流Iq典型值為27mA，最大值為40mA
；器件的Rjc(從管芯到外殼)典型值為2.4℃/W，最大值為2.6℃/W。
　　
器件的功耗為Pd：
　
Pd=Pdq+Pdout
　　
式中Pdq為器件內部電路的功耗，Pdout為輸出功率的功耗。Pdq=Iq(Vs+|-Vs|)，Pdout＝Vs2/(4 RL)，代入上式
　　
Pd＝Iq(Vs+|-Vs|)＋Vs2/(4 RL)
　
＝0.037×(18+18)＋182/(4×4)
　　
＝21.6 W
　
式中，靜態電流取37mA。
　
散熱器熱阻Rsa計算：Rsa ≤(Tj-Ta)/Pd-(Rjc+Rcs)
　　
為留有餘量
，Tj設為125℃
，Ta設為40℃，Rjc取最大值(Rjc=2.6℃/W)
，Rcs取0.2℃/W(PA02直接安裝在散熱器上
，中間有導熱油脂)。將上述數據代入公式得：
　　
Rsa≤(125-40)/21.6-(2.6+0.2)≤1.135℃/W
　
HSO4在自然對流時熱阻為0.95℃/W，可滿足散熱要求。

散熱器的選取
散(san)熱(re)器(qi)一(yi)般(ban)是(shi)標(biao)準(zhun)件(jian)，也(ye)可(ke)提(ti)供(gong)型(xing)材(cai)，由(you)用(yong)戶(hu)根(gen)據(ju)要(yao)求(qiu)切(qie)割(ge)成(cheng)一(yi)定(ding)長(chang)度(du)而(er)製(zhi)成(cheng)非(fei)標(biao)準(zhun)的(de)散(san)熱(re)器(qi)。散(san)熱(re)器(qi)的(de)表(biao)麵(mian)處(chu)理(li)有(you)電(dian)泳(yong)塗(tu)漆(qi)或(huo)黑(hei)色(se)氧(yang)極(ji)化(hua)處(chu)理(li)，其(qi)目(mu)的(de)是(shi)提(ti)高(gao)散(san)熱(re)效(xiao)率(lv)及(ji)絕(jue)緣(yuan)性(xing)能(neng)。在(zai)自(zi)然(ran)冷(leng)卻(que)下(xia)可(ke)提(ti)高(gao)10%~15%，在通風冷卻下可提高3%

，電泳塗漆可耐壓500V~800V。散熱器廠家對不同型號的散熱器給出熱阻值或給出有關曲線，並且給出在不同散熱條件下的不同熱阻值。
　　
功率器件使用散熱器是要控製功率器件的溫度，尤其是結溫Tj，使其低於功率器件正常工作的安全結溫，從而提高功率器件的可靠性。常規散熱器趨向標準化、係列化
、通用化，而新產品則向低熱阻、多功能、體積小、質量輕、適用於自動化生產與安裝等方向發展。合理地選用、設計散熱器，能有效降低功率器件的結溫
，提高功率器件的可靠性。
　　
各(ge)種(zhong)功(gong)率(lv)器(qi)件(jian)的(de)內(nei)熱(re)阻(zu)不(bu)同(tong)，安(an)裝(zhuang)散(san)熱(re)器(qi)時(shi)由(you)於(yu)接(jie)觸(chu)麵(mian)和(he)安(an)裝(zhuang)力(li)矩(ju)的(de)不(bu)同(tong)，會(hui)導(dao)致(zhi)功(gong)率(lv)器(qi)件(jian)與(yu)散(san)熱(re)器(qi)之(zhi)間(jian)的(de)接(jie)觸(chu)熱(re)阻(zu)不(bu)同(tong)。選(xuan)擇(ze)散(san)熱(re)器(qi)的(de)主(zhu)要(yao)依(yi)據(ju)是(shi)散(san)熱(re)器(qi)熱(re)阻(zu)Rtf。在不同的環境條件下，功率器件的散熱情況也不同。因此，選擇合適的散熱器還要考慮環境因素、散熱器與功率器件的匹配情況以及整個電子設備的體積、質量等因素。
　　
首shou先xian根gen據ju功gong率lv器qi件jian正zheng常chang工gong作zuo時shi的de性xing能neng參can數shu和he環huan境jing參can數shu，計ji算suan功gong率lv器qi件jian結jie溫wen是shi否fou工gong作zuo在zai安an全quan結jie溫wen之zhi內nei
，判pan斷duan是shi否fou需xu要yao安an裝zhuang散san熱re器qi，如ru需xu安an裝zhuang則ze計ji算suan相xiang應ying的de散san熱re器qi熱re阻zu，初chu選xuan一yi散san熱re器qi；重新計算功率器件結溫，判斷功率器件結溫是否在安全結溫範圍之內，從而判斷所選散熱器是否滿足要求；對於符合要求的散熱器，應根據實際工程需要進行優化設計。
　
結語
tongguogonglvqijianfareyuanlidefenxihesanrejisuan，keyizhidaoshejisanrefangshihesanreqidexuanze
，baozhenglegonglvqijiangongzuozaianquandewendufanweinei，jianshaolezhiliangwenti，tigaoledianzichanpindekekaoxing。dianzishebeidekekaoxinghaitongyuanqijian
、結構、裝配、工藝
、加工質量等有關
，在實際工程應用上，還應通過各種試驗取得反饋數據來完善設計
，進一步提高電子設備的可靠性。