热管理助力散热并延长半导体寿命 - Convertronic Electronics 杂志

细节: 类别：热控制; 2012年6月7日

电子系统中使用的半导体器件的寿命与其所处的温度直接相关。事实上，将器件的结温降低约10%即可使其寿命延长一倍。
为了满足市场对小型化和便携性的需求，电子设备正变得越来越紧凑。

另一个重要因素是许多器件中较高的信号频率，这与流经器件的电流相结合，会增加功耗。此外，半导体器件集成度的提高会导致单位面积内热密度增加，因此，如何有效地将热量从器件中散发出去，对于延长其使用寿命至关重要。.

将半导体产生的热量导出器件的关键在于尽可能降低器件结与周围空气之间的热阻。如同电路一样，半导体结与空气之间存在一个串联的热阻网络。如下图所示，将器件内部温度 (Tj) 传递到外部温度 (Ta) 的电路由以下部分组成：

- 半导体结温 Tj 与封装温度 Tc 之间的热阻 (RthG)，单位为 K/W（开尔文/瓦）。该热阻由半导体制造商确定，是制造工艺的固有特性。除非更换半导体器件，否则无法降低该热阻。-
半导体封装温度 Tc 与散热器温度 Ts 之间的热阻 (RthG/K)，单位为 K/W。可以使用导热硅脂、化合物和其他导热材料来降低该热阻，我们将在后面讨论。-
散热器温度 Ts 与环境空气温度 Ta 之间的热阻 (RthK)，单位为 K/W。制造商的数据手册中会使用该值来选择合适的散热器。选择散热器时，务必确保其 RthK 值低于设计计算所得的值。RthK 与对流换热系数 (hc)（散热器的散热能力）及其横截面积 (A) 的乘积成反比。
热公式

反过来，自然对流和强制对流（借助风扇或鼓风机辅助散热）的热阻 hc 也不同。本文仅考虑自然对流的计算。
因此，热量在试图散发过程中遇到的总热阻为：

总 RthTot = RthG + RthG/K + RthK

RthTot 可以通过减小其各组成部分之和来降低。
使用散热装置的重要性在于空气是热的极差导体。使用散热装置可以显著降低热阻，从而允许散发更多功率。
设计方法
基于：

1) 了解环境温度 Ta (K) 和半导体结温 Tj (K)（可从制造商的数据手册中获取）。从 Tj 中减去 25 K 作为安全裕度，因为 Tj 绝不能超过。2
) 从半导体制造商的数据手册中了解 RthG。3
) 了解半导体消耗的总功率 (Ptot) (W)。对于晶体管，Ptot 可表示为 Ptot = Vce · Ic + Vbe · Ib；对于二极管，Ptot 可表示为 Ptot = If · Vf。4
) 了解设计准则，例如封装、电路板上的可用空间、组装可能性等。

以下公式描述了半导体与散热器耦合时，器件耗散的功率与结 Tj 和环境 Ta 之间的温差之间的关系。.

如前所述，降低热阻总和可以增加设备在给定温度升高下能够耗散的总功率。.

通过重写该函数，可以确定散热器加上与半导体封装接触的物质或流体所能达到的最大热阻。.

因此，我们剩下两个未知数，它们的总和不能超过等式右侧的值。
空气作为封装层和散热器之间的界面，由于其导热性差，具有非常高的热阻 RthG/K；然而，使用一种化合物作为导热界面可以将这种热阻降低几个数量级，从而优化传热。

热3-1

Schlegel Electronic Materials 提供多款 OpTIM 热管理解决方案系列产品，这些产品具有极低的 RthG/K 值，并支持多种配置。
有关不同化合物及其导热系数的更多信息，请访问 Schlegel 网站。

http://www.schlegelemi.com/thermal

您还可以访问网站 www.rcmicro.es 上提供的各种 PDF 产品目录。

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

以下示例展示了如何根据上述数据为采用 TO-3 封装的 2N3055 晶体管选择散热器：
假设：

Tj = 200°C - 25°C 安全裕度 = 175°C；
Ta = 45°C
；RthG = 1.5 K/W
；RthG/K = 0.2 K/W（由于导热界面化合物的选择）；
Ptot = 30W

散热器的最大长度 = 50 毫米。.

注意：在谈论温度升高时，开尔文和摄氏度是等效的，因为 1 K = 1 °C。

Thermal4

Thermal7 副本

要选择合适的散热器，您可以参考 ASSMANN 产品目录，其中提供了种类繁多的散热器。请选择热阻为 2.6K/W 或更低的散热器，因为这可以确保结温 (Tj) 低于 175°C。此外，还要注意 50mm 的长度限制，该限制由应用的设计规范决定。Assmann V 4493 F 型散热器就是一个不错的选择。.