浅析电子设备中功率器件的热设计与散热设计

浅析电子设备中功率器件的热设计与散热设计
0 引言
电子设备（产品）在工作过程中，随着温度达到或超过规定的温度值时，就会引起或增大电子设备的失效率，也就是过热失效。

过热失效的原因主要来自电子设备中功率器件的过热。

因此，做好电子设备中功率器件的热设计与散热设计是提高电子设备（产品）质量与可靠性的关键环节。

本文就电子设备中功率器件的热性能、功率器件热设计、散热器设计、散热技术的发展等，做进一步的研究和探讨[1]。

1 功率器件的热性能
功率器件在受到来自器件本身工作时（内部）产生的热或受到器件壳体（外部）接触到的热源影响，又得不到及时地散热，就会导致功率器件内部芯片（有源区）的温度（结温）升高，使器件的可靠性降低无法正常工作。

功率器件的热性能：结温和热阻[2]。

1.1 结温。

功率器件的内部芯片有源区（如晶体管的pn结区、场效应器件的沟道区、集成电路的扩散电阻或薄膜电阻等）的温度称为结温。

当功率器件的结温温度（tj）超过其环境温度（ta）时，由温差变化形成的热扩散流，把器件芯片上的热量传递到管壳并向外散发热能，并随着器件结温与环境温差(tj-ta)的变化增大而使传热量增大。

1.2 热阻。

功率器件传递热量能力的大小称为热阻（rt），热阻（rt）的值增大时，功率器件的散热能力就减小。

热阻分为内、外
热阻：①内热阻是功率器件本身的热阻，并与功率器件的芯片、外壳材料的导热率、厚度和截面积等有关。

②外热阻是功率器件外部的热阻，并与功率器件外部（管壳）的封装形式（如金属管壳的外热阻<塑封管壳）有关，而且管壳面积越大，外热阻越小。

2 功率器件的热设计
功率器件热设计的目的是为了防止器件工作时所产生的温度过高，致使器件（过热引起热失效）无法正常工作。

在功率器件热设计过程中，不仅要作好器件内部芯片、封装形式和管壳的热设计，还要加装合适的散热器进行有效散热，保证器件在安全结温之内正常可靠的工作[3]。

2.1 器件的性能参数和环境参数。

设计时要充分考虑到功率器件在正常工作时的环境温度、器件功耗和结温等。

准确计算出功率器件在工作时的安全结温，超过安全结温的，必须安装散热器进行散热，对于符合要求的散热器，应根据实际工程需要进行优化设计。

2.2 器件的散热性能。

设计时要充分考虑到器件本身（芯片、封装及管壳）的散热能力，当功率器件功耗较大时，依靠器件本身（芯片、封装及管壳）的散热是否满足散热设计要求。

功率器件的结温超出了器件正常工作时的安全结温，就必须安装合适的散热器进行有效散热，使器件在安全结温之内能够长期正常、可靠的工作。

2.3 散热计算。

为了提高功率器件的稳定性和功率器件本身的寿命，就必须降低功率器件的管芯温度，使其能够正常运行。

所以，在使用功率器件时，就要设计好功率器件的散热问题。

在功率器件
上安装散热器，通过散热器把功率器件上的热量传递（利用自然对流和辐射进行冷却）散发到周围空间，并经散热风扇加速散热。

如果是大型设备上的功率器件，还可采用流动冷水冷却板，可达到更好的散热效果。

3 散热器的设计
型材散热器的几何结构由肋片和基座构成，主要几何参数包括肋片长、肋片厚，肋片数、基座厚、基座宽等。

其主要产品有矩形肋型材散热器、梯形肋型材散热器、三角形肋型材散热器、凹抛物线肋型材散热器等。

型材散热器的设计主要包括：底板的设计、肋片厚度的设计、肋间距的设计、散热器的校核计算、合理选取散热器[4]。

3.1 底板的设计。

底板的厚薄不仅会影响其本身的热阻变化，还会影响到散热器底板的温度分布和均匀性。

所以，底板的设计要考虑好板的厚度、长度和高度。

3.2 肋片厚度的设计。

肋片薄散热快，但如果肋片太薄，会给加工增加困难，所以肋片的厚度要适宜。

3.3 肋间距的设计。

肋片间距小，其热阻降低，如果肋间距过小，就会影响通风，降低发散热。

所以肋间距的设计要综合考虑。

3.4 肋片高度的设计。

肋片及底板的散热可形成自然对流换热，肋片高散热快，但过高却失去效用（肋片超过一定高度，其散热量没有多大改变），反而占用空间。

所以，肋片的高度要根据实际空间需要来设计。

3.5 散热器的校核计算。

功率器件工作时其壳体温度超过100℃，就会导致故障率大增。

因此，功率器件管壳体（底板）温度应低于100℃，就必须采用散热器对功率器件进行散热。

如果散热器不能满足时，还可采用液体冷却、蒸发冷却、强迫风冷等散热方式，使功率器件得以正常运行。

3.6 合理选取散热器。

①各种功率器件的内热阻不同，安装散热器时要考虑到功率器件与散热器之间的接触热阻不同，所以，合理选取散热器，就能有效降低功率器件的结温，提高功率器件的可靠性。

②不仅要考虑到散热器与功率器件之间的匹配、环境等因素，还要考虑到电子设备的大小、重量等因素。

③为了保证功率器件在安全结温工作时能正常工作，可选取功率器件的安全结温点低于允许结温点10℃左右，并使用优化的散热器进行有效散热。

4 散热技术的发展
随着微电子技术的迅猛发展，以及多芯片模块（mcm）、高密度三维组装技术和电子组装的微小型化的出现，使电子设备的热流密度越来越高，芯片级已达300w/cm2。

为适应高组装密度、高可靠性的要求，必须继续研究开发高效传热技术，例如，热管散热技术、微通道散热技术、制冷芯片等[5]。

4.1 热管散热技术。

热管散热技术，是通过封闭在真空管内的液体，作为热量传递的。

在芯片上埋入微细热管，其微细热管的平均管路直径为10～500μm，其长为数毫米至数厘米之间。

此热管断面成多角形状，通过内腔尖角区作为液态回流（毛细压差）的通道，
从而实现热循环。

例如，利用ic工艺制成的多根微型热管阵列，其冷却功率可达200w/cm2。

4.2 微通道散热技术。

美国cooligy公司采用了主动微通道冷却（active micro－channelcooling）技术生产的水冷式芯片产品，其散热通量达到1000w/cm2，而且体积小、重量轻，无噪声，性能稳定，可靠性高，寿命长等。

4.3 制冷芯片。

制冷芯片是基于热离子换能效应而实现的，在室温下的散热通量为5kw/cm2，其优点是体积小、轻便、可靠性高等。

制冷芯片实现了薄膜式的固体冷却，还可以相互串联组成阵列的形式，具有可组合性，可以适合任何形状外表的散热。

5 结束语
通过对电子设备中功率器件的热设计与散热设计，既保证了功率器件在安全结温下正常工作，又注意到功率器件在不同工作状态下，对散热器散热效果的影响，以使散热器达到重量轻、体积小、成本低的优化设计，从而使企业能够取得较好的经济效益和社会效益。

参考文献：
[1]丁连芬等译校.电子设备可靠性热设计手册[m].电子工业出版社，1989-3.
[2]余建祖编.电子设备热设计及分析技术（第2版）[m].北京航空航天大学，2008-11.
[3]谢德仁编.电子设备热设计[m].南京：东南大学出版社，
1989-12.
[4]钟世友，漆全，刘世刚.机载电子设备功放模块的热设计[j].电讯技术，2006（05），205-207.
[5]吕倩，冯刚英.一种机载设备的风冷散热设计[j].电讯技术，2007（03），192-194.
作者简介：陈明，男（1978-），辽宁省锦州市人，硕士研究生，工程师，研究方向：机械设计、化工设备与机械。