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Philips Semiconductors_ Thermal Management

Philips Semiconductors_ Thermal Management. Chapter 7_2: Thermal Considerations for Power Semiconductors. Yi Dao 2006_03_05-15. Section 7-2: Heat Dissipation.

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Presentation Transcript

  1. Philips Semiconductors_ Thermal Management Chapter 7_2:Thermal Considerations for Power Semiconductors Yi Dao 2006_03_05-15

  2. Section 7-2: Heat Dissipation 所有半导体的失效机制都与温度有关。所以结温越低，电路可靠性越高。因此，我们数据给出的结温应不能超过在最恶劣情况下的结温。然而，从Tjmax降额工作温度来更好地增强可靠性总是值得的。结温依赖于器件上的功耗和与器件有关的热阻。这一部分所给出的公式和图表仅作为设计Heatsink的指导。因为heatsink的热阻取决于许多不可预估的参数。包括heatsink上功率管的位置，气流能够自由流动的范围，heatsink各个边的长度比，邻近元件掩蔽（screening effect）的影响以及从这些元件上的热影响。对一个装备来说，确认在最恶劣情况下运行时一些重要的温度是明智的。散热的情况越复杂，确认那些温度就变得越重要。 Heat Flow Path： 半导体芯片上产生的热会通过各种途径传到周边。小信号器件通常不需要散热器，热量从junction流向于case紧密相连的mounting base（基板），然后通过对流和幅射散发到周围去（surroundings）。如图1（a）示。然后功率管由于具有较高的功耗所以通常会连接到散热器上。通过接触面的压力热量从case到heatsink，然后heatsink通过对流和辐射散热到周围，或者通过传导散到cooling water.图1(b).一般来说空气冷却常用，图中ambient指的是周围空气。注意如果指的是一个装备内部的空气，在装备内部和外部之间的附加热阻应该被考虑

  3. Section 7-2: Heat Dissipation Contact Thermal Resistance Rth mb-h：在功率管基板和heatsink之间的热阻与接触面的质量和尺寸，介质，接触压力有关。在散热器上钻孔时要注意避免金属的毛边和扭曲，接触的啮合面应该很光洁。油漆抛光（paint finishes）的正常厚度最多为50um（为防止电解腐蚀），几乎不会影响热阻。功率管的case和散热器表面不可能完美的平坦，所以只可能是一些点接触，剩余的区域有小的气隙。通过使用软的物质来填充气隙，从而降低接触面热阻。正常情况下，用散热的复合物来填充气隙，在功率管正常工作温度下共保留相当的粘性，并且有较高的热传导率。同时这种填充物也能防止接触面上有湿气渗入。heatsinking compounds由a silicone grease loaded with someelectrically insulating good thermally conducting powdersuch as alumina. 当通过自然对流来降温时，接触面的热阻Rth mb-h比起来（Rth j-mb+Rth h-amb）来说是很小的。然而，heatsink热阻Rth h-amb当使用强制风冷或水冷时是很小的，因此，在功率管case和散热器间紧密的热接触是非常重要的。 Thermal Resistance Calculations: 图1a所示为不用散热器时,在junction和环境的整个热阻. Rthj_amb = Rth j_mb+ Rth mb_amb 然而,功率管一般会加装散热器,因为Rthj_amb一般不会小的足够保持chip温度在所需水平下.图1b所示为当加heatsink时,整个的热阻: Rthj_amb=Rthj_mb+Rthmb_h+Rth h_amb. 注意从晶体管的case到surroundings通过Rthmb_amb直接散发的热损耗相当小.决定heatsink尺寸和材质的第一步是计算最大的heatsink热阻Rth h_amb来保持结温在desired value值以下.

  4. Continuous operation

  5. Intermittent operation Intermittent operation 图1中的热等效电路对于Intermittent operation是不合适的。热阻Zth j-mb应该被考虑： Ptot M=(Tj-Tmb)/Zth j-mb,因此，Tmb=Tj-Ptot M*Zth j-mb. 基板温度在间断的工作状态总是假定是恒定的。这种假设在脉冲时间小于大约1S时实际应用中应是合理的。基板温度不会有大的变化在这些条件下（如图2示），这是因为heatsink有一个高的热容易，一个高的热 time-constant. 因此等式6对间断工作时是有合理的，如果脉冲时间小于1S时。Tmb值可以通过式7来计算，heatsink热阻可以通过式6来获得。 热时间常数（thermal time constant）定义：在恒定的基板温度和恒定功耗下，结温到达其最终值的70%时所需的时间。 如果脉冲持续时间超过1S，晶体管处于一个暂时的热平衡，既然其持续时间比起大多晶体管的thermal time-constant要大得多。因此，当脉冲时间超过1S，Tj-Tmb会达到一个稳定的最终值（图3），等式7需改成： Tmb=Tj-PtotM*Rth j-mb. 另外，因为脉冲时间相对于散热器的热时间常数不再是很小，那么，对基板温度是常数的假设也不再成立。

  6. Small heatsinks for intermittent operation 在实际中,对于间断工作状态可以利用散热器的热容量来设计更小的散热器,比起来连接功耗模式.在等式(6)的平均功耗可以用峰值功率损耗来替换,来获得在散热器和环境之间的热阻值 Flat-plate heatsinks 最简单的散热器是平的金属板,晶体管被附着在上面.这些散热器被用在分立基板的形式以及器件自身底板. 热阻与厚度,面积,板的位置,以及光洁度,功耗有关. 一个水平贴片的板(plate)比起垂直贴片的大约两倍的热阻.这对于器件底板自身被用作散热器来说更为重要. 如图4示, 一个涂黑的散热器热阻对于表面区域(一边),以及功耗为参数. The graph is accurate to within 25% for nearly square plates, where the ratio of the lengths of the sides is less than 1.25 : 1. Z th h_amb的值比起相比较的热阻小得多,因此可以设计更小的散热器,比起来用等式(6)计算出来的更大的值. Heatsink: 散热器一般用的有三种: flat plates(including chassis), diecast finned(鳍)heatsinks, and extruded(挤压的)finned heatsinks. 材料一般用铝,尽管在flat-sheet heatsinks中铜更有优势. Small finned clips有时被用来提高散热能力在低功率晶体管中. Heat sink finish: Heatsink的热阻是表面光洁度的函数.涂漆的表面比起来没有上漆的有更大的辐射能力.对于平板的散热器这一点最显著,因为其1/3的热量通过辐射散掉.漆的颜色相对来说不重要.一个涂亮白色的散热器的热阻仅仅比涂有暗黑色漆的高大约3%. 对于有鳍的散热器,涂漆的影响相对不大,因为热量大多会从一些鳍辐射到另外相邻的鳍上,但这仍有意义,因为anodising and etching(氧化+蚀刻)对降低散热系数. 金属性的漆,例如铝涂料,其辐射率最低,尽管比起明亮的铝金属finish要好上十倍.

  7. Finned heatsinks 有鳍的散热器用堆彻的平面板制成,尽管通常用压铸件或模压散热器更经济(diecast or extruded).图5是散热器的比较(鳍片垂直贴片).另外,图象准确率为25%. Natural air cooling: 铝散热器所需尺寸,无论是平面的还是冲压的(finned)都可以从图6的计算图中推导出来. 象所有的散热器图表,列线图不能给出基于尺寸函数的精确的Rth h-amb的值,因为实际条件总是会有偏离列线图所画出的.散热器热阻的实际值会有至多10%的误差,比起列线图来.因此,建议测试抛光器件的温度特别是热条件很临界的情况. Heatsink dimensions: 在不损害晶体管时保证足够的散热能力的最大热阻能够计算,如前讨论.这部分解释怎么得到散热器的形式和尺寸,以获得足够低的热阻

  8. 列线图所应用的条件如下:

  9. Forced air cooling 如果热阻需要比1°C/W还要小得多或者散热器不太大,可以通过风扇来提供强制风冷.除了散热器的尺寸,热阻仅仅依赖于风速.如果冷却空气流动平行于鳍并且其速度足够快(>0.5m/s),热阻会变得几乎和功耗,散热器的位置无关.注意空气流的turbulence(湍流,动荡)会导致测试实际值偏离理论值.图11显示了压铸散热器情况下强制风冷的热阻.也显示了通过强制风冷能够减少热阻或者散热器长度.在平板散热器中forced air cooling的影响如图12示.同上,功耗和散热器位置对热阻几乎没有影响,如果气流足够快.

  10. 图12

  11. Summary 大多数功率管需要散热器,一旦能够保证器件结温在额定值以下的热阻计算出来,散热器的大致尺寸和形式能够被选择确定. 功率管实际工作条件可能会不同于用于决定散热器的理论分析的条件,因此,在设计的装备中总是要测试温度.最终,一些应用需要小的散热器,或者要求低的热阻,在这种情况下,可以通过风扇进行强制风冷来达到.

  12. END

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