Ещё одним важным фактором является высокая частота сигнала во многих устройствах, которая в сочетании с протекающими через них токами увеличивает рассеиваемую мощность. Кроме того, более высокая степень интеграции полупроводниковых устройств приводит к увеличению плотности тепла на единицу площади, и отвод этого тепла от устройства становится крайне важным для продления срока его службы.
Ключевым фактором отвода тепла, выделяемого полупроводником, от устройства является минимизация теплового сопротивления между переходом устройства и окружающим воздухом. Подобно электрической цепи, между переходом полупроводника и воздухом существует сеть тепловых сопротивлений, соединенных последовательно. Как показано на следующей схеме, цепь, передающая температуру изнутри устройства (Tj) наружу (Ta), состоит из:
- Тепловое сопротивление между полупроводниковым переходом Tj и корпусом Tc (RthG), выраженное в К/Вт (Кельвин/Ватт). Это сопротивление определяется производителем полупроводников и является характеристикой производственного процесса. Его нельзя уменьшить, если не выбрать другой полупроводниковый прибор.
- Тепловое сопротивление между полупроводниковым корпусом Tc и радиатором Ts (RthG/K), выраженное в К/Вт. Его можно минимизировать с помощью смазок, компаундов и других теплопередающих агентов, которые мы обсудим позже.
- Тепловое сопротивление между радиатором Ts и окружающим воздухом Ta (RthK), выраженное в К/Вт. Это значение используется в технической документации производителя для выбора подходящего радиатора. Важно выбрать радиатор с RthK ниже значения, полученного в результате расчетов. RthK обратно пропорционален произведению коэффициента конвективной теплопередачи (hc) (рассеивающей способности радиатора) и его площади поперечного сечения (A). 
В свою очередь, hc различается для естественной конвекции и принудительной конвекции (с помощью вентиляторов или воздуходувок для рассеивания тепла). В данной статье рассматриваются только расчеты для естественной конвекции.
Таким образом, общее тепловое сопротивление, испытываемое теплом при его попытке рассеивания, составляет:
RthTot = RthG + RthG/K + RthK
RthTot можно уменьшить, снизив сумму его составляющих.
Важность использования теплоотводящих устройств заключается в том, что воздух является очень плохим проводником тепла. Использование теплоотводящих устройств может значительно снизить тепловое сопротивление, что позволит рассеивать больше мощности.
Методология проектирования
основана на:
1) Знайте температуру окружающей среды Ta (К) и температуру перехода полупроводника Tj (К) (полученную из технической документации производителя). Вычтите 25 К из Tj в качестве запаса прочности, поскольку Tj никогда не должна быть превышена.
2) Знайте сопротивление RthG из технической документации производителя полупроводников.
3) Знайте мощность (Вт), рассеиваемую полупроводником (Ptot). Для транзисторов это может быть Ptot = Vce · Ic + Vbe · Ib, а для диодов Ptot = If · Vf.
4) Знайте критерии проектирования, такие как доступное пространство на корпусе, плате, возможности сборки и т. д.
Следующая формула связывает в полупроводнике, соединенном с радиатором, мощность, рассеиваемую устройством, и разницу температур между переходом Tj и окружающей средой Ta.
Как обсуждалось ранее, уменьшение суммы тепловых сопротивлений увеличивает общую мощность, которую устройство может рассеивать при заданном повышении температуры.
Переписав эту функцию, можно определить максимальное тепловое сопротивление, которое может иметь радиатор в сочетании с веществом или жидкостью, контактирующей с полупроводниковой оболочкой.
Таким образом, у нас остаются две неизвестные, сумма которых не должна превышать правую часть уравнения.
Воздух, как граница раздела между герметиком и радиатором, имеет очень высокое тепловое сопротивление RthG/K, поскольку он плохо проводит тепло; однако соединение, выступающее в качестве теплового интерфейса, может снизить это тепловое сопротивление на несколько порядков и, таким образом, оптимизировать теплопередачу.
Компания Schlegel Electronic Materials предлагает несколько моделей в серии решений для терморегулирования OpTIM с очень низким значением RthG/K, позволяющих создавать различные конфигурации.
Для получения дополнительной информации о различных материалах и их теплопроводности посетите веб-сайт Schlegel.
http://www.schlegelemi.com/thermal
Вы также можете получить доступ к различным PDF-каталогам, доступным на веб-сайте www.rcmicro.es
http://www.rcmicro.es/pdf/catalogos/Schlegel_TIM_shortform.pdf
http://www.rcmicro.es/pdf/catalogos/SCHLEGEL_Thermal Materials.pdf
http://www.rcmicro.es/pdf/catalogos/SCHLEGEL_OP-400.pdf
http://www.rcmicro.es/pdf/catalogos/Schlegel_OpTIM_2012.pdf
В следующем примере показан выбор радиатора для транзистора 2N3055 в корпусе TO-3 на основе указанных выше данных:
Предполагая:
Tj = 200°C минус 25°C запас прочности = 175°C
Ta = 45°C
RthG = 1,5 К/Вт
RthG/K = 0,2 К/Вт (из-за выбора термоинтерфейсной пасты).
Ptot = 30 Вт
Максимальная длина радиатора = 50 мм.
ПРИМЕЧАНИЕ: Важно помнить, что градусы Кельвина и Цельсия эквивалентны при обсуждении повышения температуры, поскольку 1 К = 1 °C
Для выбора подходящего радиатора можно обратиться к каталогу ASSMANN, в котором представлен широкий ассортимент радиаторов. Ищите модели с тепловым сопротивлением 2,6 К/Вт или меньше, так как это обеспечит температуру перехода ниже 175 °C. Также следует учитывать ограничение по длине в 50 мм, которое определяется техническими характеристиками конкретного применения. Одним из возможных вариантов является профиль Assmann V 4493 F.
По ссылкам ниже вы найдете информацию о различных семействах радиаторов и аксессуаров Assmann:
http://www.rcmicro.es/pdf/catalogos/Assmann_Radiadores_Componentes_PCB_1.zip
http://www.rcmicro.es/pdf/catalogos/Assmann_Radiadores_Componentes_PCB_3.zip
http://www.rcmicro.es/pdf/catalogos/Assmann_Radiadores_Componentes_PCB_4.zip
http://www.rcmicro.es/pdf/catalogos/Assmann_Radiadores_Perfiles.zip
http://www.rcmicro.es/pdf/catalogos/Assmann_Pastas_y_Accesorios_Montaje_Radiadores.pdf
