大功率器件的散熱設計

隨著電子技術的不斷發展,大功率器件的發熱功耗越來越大、熱流密度不斷增加。產品散熱設計對產品的可靠性有著至關重要的影響。

隨著電子技術的不斷發展,大功率器件的發熱功耗越來越大、熱流密度不斷增加。產品散熱設計對產品的可靠性有著至關重要的影響。要對大功率器件進行良好的散熱設計,首先要了解功率器件的熱性能指標,然后通過選擇合適的散熱方式,正確的風道設計以及對散熱器進行必要的優化分析，最后規范、正確的安裝散熱器使器件達到最佳的散熱效果。

1、器件的熱性能參數

器件廠家會提供器件的焊接溫度、封裝形式、工作溫度范圍、器件結點溫度限制、內部熱阻等信息，這是參數是進行散熱設計的基礎和前提。下面對一些常用熱參數逐一說明：

TDP—器件熱耗散功耗，單位W（瓦），表示器件實際發熱量的大小

Tc–器件殼體溫度，單位℃

Tj–結點溫度，單位℃。隨著結點溫度的提高，半導體器件性能將會下降。結點溫度超過最大限制，器件壽命極度下降甚至燒毀。這是進行熱設計關注的焦點。

Ta–環境溫度，單位℃

Rja–結點到環境的熱阻，單位℃/W

Rjc–結點到器件殼的熱阻，單位℃/W

歸根到底，熱設計主要任務是要滿足： Tj< Tj(max)并留有適當的余量（通常要保證有10%以上余量）。

Tj(max)=P* Rjc+ Tc(max)

Tc(max)即器件表面的最高溫度，很顯然散熱設計越成功，Tc(max)就會越低。

2、散熱方式的選擇

系統散熱方式的選擇應充分考慮系統的發熱功耗，溫度/體積/重量要求，防護等級，散熱裝置的可操作性，價格等諸多因素，最終選擇最適合自己產品的、有效的散熱方式。 散熱主要分為：自然散熱、強迫風冷。液體冷卻等。目前普遍采用的散熱方式仍然是風冷。下表反映了不同散熱方式狀況下熱流密度與溫升的關系。

自然散熱：通過空氣的自然對流將熱量帶到周圍空間。這種散熱方式可以用在發熱功率不大，重量，溫度等要求不高的場合。優點：結構簡單、無噪音、價格低廉。

強迫風冷：對于發熱功耗大的器件，選用強迫風冷是很必要的，尤其配合一些高效能的散熱器可以達到理想的散熱效果。因為強迫風冷換熱效率高，一般是自然散熱方式的數倍。優點：散熱效率高，產品重量可被大幅度降低。

3、風機選型以及風道設計

如果系統采用強迫風冷的散熱方式，選擇合適的散熱風機直接決定了系統散熱狀況。要進行風機選型，首先需要確定系統所需要的散熱風量，通過下面的公式計算：

其中?T表示了系統進/出風口的溫度差。

風機的選型要結合系統風量需求、系統阻力、風扇特性曲線等要求進行綜合評估確認。

強迫風冷系統風道的實際很關鍵，風道一般分為送風和抽風兩種方式，這兩種方式的優缺點分別是：

送風方式：

A、風扇出口附近氣流主要為紊流流動，局部換熱強烈，宜用于發熱器件比較集中的情況，此時必須將風扇的主要出風口對準集中的發熱元件

B、吹風時將在設備內形成正壓，可以防止縫隙中的灰塵進入設備

C、風扇將不會受到系統散熱量的影響，工作在在較低的空氣溫度下，風扇壽命較長

抽風方式：

A、送風均勻，適用于發熱器件分布比較均勻，風道比較復雜的情況

B、進入風扇的流動主要為層流狀態

C、風扇將在出風口高溫氣流下工作，壽命會受影響

D、系統內形成負壓，縫隙中的灰塵將進入機柜/箱

4、散熱器優化

大功率器件散熱器優化主要是對散熱器基板厚度、齒片厚度，間距，高度，表面處理方式等參數進行優化設計。隨著計算機仿真技術的不斷進步，我們可以依托電子熱仿真分析軟件對散熱器進行優化，優化的結果準確、直觀。

5、正確的安裝

正確合理的安裝可以保障散熱產品良好的發揮其作用，提升產品整體可靠性。我們知道：在散熱產品安裝過程中主要是要保證器件與散熱器有著良好、充分的表面接觸—-使器件與散熱器之間的接觸熱阻盡可能低。

影響接觸熱阻的主要因素有以下幾方面原因

1、接觸面平面度

2、散熱產品與熱源接觸壓力

3、熱界面材料的選用和涂抹

正確涂抹界面材料建議使用專用治具，可以參考下面的圖片，從而保證熱界面材料均勻，通常厚度需要控制在0.12—0.18mm之間。