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大功率半导体器件用散热器的热阻

晨怡热管 2011-9-19 11:08:29

散热器技术参数

 
 
在使用功率器件时最重要的是如何使其产生的热量有效地散发出去,以获得高可靠性。

  散热的最一般的方法是把器件安装在散热器上,散热板将热量辐射到周围的空气中去,以及通过自然对流来散发热量。

  一般地说,从散热器到周围的空气的热流量(P)可由下例表示:

  P=hA η△T

  式中h为散热器总的传热导率(W/cm2 ℃),A为散热器的表面积(cm2),η为散热器效率,△T为散热器的最高温度与环境温度之差(℃)。

  上式中h是由辐射及对流来决定,η是由散热器的形状来决定。

  总之,散热器的表面积越大,与环境温度之差越大,散热板的热量辐射越有效。

  (1)辐射散热

  下述近似式表示辐射散热

  hr=2.3 × 10-11× ε(△T/2+273)3 (W/cm2 ℃)

  式中 ε是表面辐射率,随散热器的表面状况而变化。表面研磨光洁的产品ε=0.05∽0.1,也就是说辐射率极差。然而,散热器表面涂以涂料,经氧化可使ε=1。

  (2)对流散热

  功率器件安装在装置的框架上时,采用对流散热比辐射散热更有效。在一个大气压的空气中,采用对流散热器的传导率近似地由下式表示。

  hc=4.3 × 10-4× (△T/H)1/4 (W/cm2 ℃)

  式中,H是散热垂直方面的高度。散热器的间隔高定在H1/4(cm)之内。总之,散热器的垂直方向长于水平方向更为有效。

  (3)散热器效率η

  若用薄材料制成散热器,则离热源越远,表面温度越低,散热效果也差。上述公式是假定温度者是均匀分布的,而实际上在散热板的边缘部位表面温度越低。

  这种由散热器本身温度确定的系数就是散热器效率,它表示散热板实际传递的热量与器材安装部位最高温度视为均匀分布时的热量之比。

  η主要是由所用散热器的材料大小与厚度来决定的。一般来说,热传导率高的材料,如铝(2.12W/cm2 ℃)及铜 (3.85W/cm2 ℃),而钢(0.46W/cm2 ℃)就相当差了。

  另外,散热器的厚度以厚些为好,并以跟散热器的长度平方成比例为最佳。

  根据上述各点,适用于功率器件的散热器应满足下列要求:

  1. 表面积尽可能大些。

  2. 散热器表面阳极氧化,发黑处理。

  3. 散热器配置应使空气易于流通,以长边取垂直方向为佳。

  4. 使用热传导率良好的铝及铜作为散热器材料。

  5. 散热器厚些为好,厚度与长度平方成比例。

风冷散热器的选配

功率半导体元件在工作时,自身必然要产生热损耗。但若发热量太大,且又来不及向周围媒质消散,元件就会因超过其正常工作的保证温度而失效。因此,选配合适的散热器,是元件可靠工作的重要条件之一。

1. 概念

(1) 元件工作结温Tj:即元件允许的最高工作温度极限。本参数由制造厂提供,或产品标准强制给出要求。

(2) 元件的损耗功率P:元件在工作时自身产生的平均稳态功率消耗,定义为平均有效值输出电流与平均有效值电压降的乘积。

(3) 耗散功率Q:特定散热结构的散热能力。

(4) 热阻R:热量在媒质之间传递时,单位功耗所产生的温升。

R = ΔT / Q

2. 散热器的选配

设环境温度为Ta。散热器的配置目的,是必须保证它能将元件的热损耗有效地传导至周围环境,并使其热源_即结点的温度不超过Tj。用公式表示为

P < Q = ( Tj - Ta ) / R ①

(当然,热量的消散除对流传导外,还可辐射。在后面讨论)

而热阻又主要由三部分组成:

R = Rjc + Rcs + Rsa ②

Rjc:结点至管壳的热阻;

Rcs:管壳至散热器的热阻;

Rsa:散热器至空气的热阻。

其中,Rjc与元件的工艺水平和结构有很大关系,由制造商给出。

Rcs与管壳和散热器之间的填隙介质(通常为空气)、接触面的粗糙度、平面度以及安装的压力等密切相关。介质的导热性能越好,或者接触越紧密,则Rcs越小。

(参考值:我厂凸台元件的风冷安装,一般可考虑Rcs≈0.1Rjc)

Rsa是散热器选择的重要参数。它与材质、材料的形状和表面积、体积、以及空气流速等参量有关。

综合①和②,可得

Rsa <〔( Tj - Ta ) / P〕- Rjc - Rcs ③

上式③即散热器选配的基本原则。

一般散热器厂商应提供特定散热器材料的形状参数和热阻特性曲线,据此设计人员可计算出所需散热器的表面积、长度、重量,并进一步求得散热器的热阻值Rsa。

3. 注意事项

上面的理论分析是一个普适原则,在实际设计中应留出足够余量。因为提供数据的准确性、由元件到散热器的安装状况、散热器表面的空气对流状态、热量的非稳态分布等,都是非理想化的因素,应预考虑。 另外,散热器表面向空气的热辐射,也是一种热耗散方式。在自冷设计中广泛应用的阳极氧化发黑和打毛处理工艺,即是增加热辐射的有效办法。但该办法明显不适用要求强迫风冷的以对流传导为主要方式的设计,因为散热器表面越光亮则热阻越低,这是要特别提示设计人员的。

安装散热器的几点注意事项

  1. 在保证半导体功率器件工作时的实际结温小于最大结温情况下,应尽量选用体积小,重量轻的规格。

  2. 散热效果优劣与安装工艺有密切关系,安装时应尽量增大功率器件与散热器的接触面积,降低接触热阻,提高传热效果。

  3. 如果把接触热阻降得更小些,安装时在功率器件与散热器之间加一薄薄的导热硅脂,可以降低热阻25∽30%。

  4. 安装时需要在器件与散热器之间垫导热或绝缘垫片,建议采用低热阻材料,如紫铜箔、铝箔或薄云母、聚脂薄膜 。

  5. 当安装一个器件时,其安装孔(或组孔)置于散热器基面的中心(L/2)位置。当安装两个或两个以上器件时,其安装孔(或组孔)位置在散热器基面中心线上均布(L/2n)位置。

  6. 紧固器件时需保证螺钉扭力一致。

  7. 功率器件与散热器安装好后,不宜再对功率器件和散热器进行机械加工或整形,否则会产生应力,增加接触热阻。

  8. 单面肋片式散热器,适于在设备外部(如安装在机箱外部)作自然风冷,即利于功率器件的通风散热又可降低机内温升。

  9. 自然冷却后,应使散热器的断面平行于水平面的方向;强制风冷时,应使气流的流向平行于散热器的肋片方向。

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