中心議題：

• 功率器件熱性能的主要參數
• 功率器件熱設計
• 散熱器的選取

解決方案：

• 計算功率器件結溫是否工作在安全結溫之內
• 將功率器件安裝散熱器
• 器件底麵不絕緣，需要另外加雲母片絕緣

當前
，電子設備的主要失效形式就是熱失效。據統計
，電子設備的失效有55％shiwenduchaoguoguidingzhiyinqide，suizhewendudezengjia
，dianzishebeideshixiaolvchengzhishuzengchang。suoyi
，gonglvqijianreshejishidianzishebeijiegoushejizhongbukehulvedeyigehuanjie


，zhijiejuedinglechanpindechenggongyufou，lianghaodereshejishibaozhengshebeiyunxingwendingkekaodejichu。

功率器件熱性能的主要參數

功(gong)率(lv)器(qi)件(jian)受(shou)到(dao)的(de)熱(re)應(ying)力(li)可(ke)來(lai)自(zi)器(qi)件(jian)內(nei)部(bu)，也(ye)可(ke)來(lai)自(zi)器(qi)件(jian)外(wai)部(bu)。若(ruo)器(qi)件(jian)的(de)散(san)熱(re)能(neng)力(li)有(you)限(xian)
，則(ze)功(gong)率(lv)的(de)耗(hao)散(san)就(jiu)會(hui)造(zao)成(cheng)器(qi)件(jian)內(nei)部(bu)芯(xin)片(pian)有(you)源(yuan)區(qu)溫(wen)度(du)上(shang)升(sheng)及(ji)結(jie)溫(wen)升(sheng)高(gao)，使(shi)得(de)器(qi)件(jian)可(ke)靠(kao)性(xing)降(jiang)低(di)，無(wu)法(fa)安(an)全(quan)工(gong)作(zuo)。表(biao)征(zheng)功(gong)率(lv)器(qi)件(jian)熱(re)能(neng)力(li)的(de)參(can)數(shu)主(zhu)要(yao)有(you)結(jie)溫(wen)和(he)熱(re)阻(zu)。

器件的有源區可以是結型器件(如晶體管)的PN結區
、場效應器件的溝道區
，也可以是集成電路的擴散電阻或薄膜電阻等。當結溫Tj高於周圍環境溫度Ta時
，熱量通過溫差形成擴散熱流
，由芯片通過管殼向外散發，散發出的熱量隨著溫差(Tj-Ta)的增大而增大。

為了保證器件能夠長期正常工作，必須規定一個最高允許結溫Tjmax。Tjmax的大小是根據器件的芯片材料
、封裝材料和可靠性要求確定的。

功率器件的散熱能力通常用熱阻表征

，記為Rt

，熱阻越大
，則散熱能力越差。熱阻又分為內熱阻和外熱阻：內熱阻是器件自身固有的熱阻，與管芯、外殼材料的導熱率、厚度和截麵積以及加工工藝等有關；外熱阻則與管殼封裝的形式有關。一般來說
，管殼麵積越大，則外熱阻越小。金屬管殼的外熱阻明顯低於塑封管殼的外熱阻。

當功率器件的功率耗散達到一定程度時，器件的結溫升高，係統的可靠性降低，為了提高可靠性，應進行功率器件的熱設計。

功率器件熱設計

功率器件熱設計主要是防止器件出現過熱或溫度交變引起的熱失效
，可分為器件內部芯片的熱設計、封裝的熱設計和管殼的熱設計以及功率器件實際使用中的熱設計。

對於一般的功率器件，隻需要考慮器件內部、封裝和管殼的熱設計
，而當功耗較大時，則需要安裝合適的散熱器
，通過其有效散熱，保證器件結溫在安全結溫之內正常可靠的工作。
　　
散熱計算

最(zui)常(chang)用(yong)的(de)散(san)熱(re)方(fang)法(fa)是(shi)將(jiang)功(gong)率(lv)器(qi)件(jian)安(an)裝(zhuang)在(zai)散(san)熱(re)器(qi)上(shang)，利(li)用(yong)散(san)熱(re)器(qi)將(jiang)熱(re)量(liang)散(san)到(dao)周(zhou)圍(wei)空(kong)間(jian)，必(bi)要(yao)時(shi)再(zai)加(jia)上(shang)散(san)熱(re)風(feng)扇(shan)
，以(yi)一(yi)定(ding)的(de)風(feng)速(su)加(jia)強(qiang)散(san)熱(re)。在(zai)某(mou)些(xie)大(da)型(xing)設(she)備(bei)的(de)功(gong)率(lv)器(qi)件(jian)上(shang)還(hai)采(cai)用(yong)流(liu)動(dong)冷(leng)水(shui)冷(leng)卻(que)板(ban)

，它(ta)有(you)更(geng)好(hao)的(de)散(san)熱(re)效(xiao)果(guo)。散(san)熱(re)計(ji)算(suan)就(jiu)是(shi)在(zai)一(yi)定(ding)的(de)工(gong)作(zuo)條(tiao)件(jian)下(xia)，通(tong)過(guo)計(ji)算(suan)來(lai)確(que)定(ding)合(he)適(shi)的(de)散(san)熱(re)措(cuo)施(shi)及(ji)散(san)熱(re)器(qi)。

熱量在傳遞過程中有一定熱阻。由器件管芯傳到器件底部的熱阻為Rjc，器件底部與散熱器之間的熱阻為Rcs，散熱器將熱量散到周圍空間的熱阻為Rsa，總的熱阻Rja=Rjc+Rcs+Rsa。若器件的最大功率損耗為Pd，並已知器件允許的結溫為Tj、環境溫度為Ta，可以按下式求出允許的總熱阻Rja。

Rja≤(Tj-Ta)/Pd
則計算最大允許的散熱器到環境溫度的熱阻Rsa為：
Rsa≤(Tj-Ta)/Pd-(Rjc+Rcs)

為設計考慮，一般設Tj為125℃。在較壞的環境溫度情況下，一般設Ta=40℃~60℃。Rjc的大小與管芯的尺寸和封裝結構有關
，一般可以從器件的數據資料中找到。Rcs的大小與安裝技術及器件的封裝有關。如果器件采用導熱油脂或導熱墊後，再與散熱器安裝，其Rcs典型值為0.1℃/W~0.2℃/W。

若器件底麵不絕緣，需要另外加雲母片絕緣，則其Rcs可達1℃/W。Pd為實際的最大損耗功率，可根據不同器件的工作條件計算而得。這樣，Rsa可以計算出來，根據計算的Rsa值可選合適的散熱器了。
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計算實例

一功率運算放大器PA02作低頻功放
，器件為8引腳TO-3金屬外殼封裝。器件工作條件如下：工作電壓Vs為18V
，負載阻抗RL為4k，環境溫度設為40℃，采用自然冷卻。

查PA02器件資料可知：靜態電流Iq典型值為27mA，最大值為40mA
；器件的Rjc(從管芯到外殼)典型值為2.4℃/W，最大值為2.6℃/W。

器件的功耗為Pd：
Pd=Pdq+Pdout

式中Pdq為器件內部電路的功耗，Pdout為輸出功率的功耗。Pdq=Iq(Vs+|-Vs|)，Pdout＝Vs2/(4RL)，代入上式

Pd＝Iq(Vs+|-Vs|)＋Vs2/(4RL)
＝0.037×(18+18)＋182/(4×4)
=21.6W

式中
，靜態電流取37mA。
散熱器熱阻Rsa計算：Rsa≤(Tj-Ta)/Pd-(Rjc+Rcs)

為留有餘量，Tj設為125℃，Ta設為40℃，Rjc取最大值(Rjc=2.6℃/W)
，Rcs取0.2℃/W(PA02直接安裝在散熱器上
，中間有導熱油脂)。將上述數據代入公式得：

Rsa≤(125-40)/21.6-(2.6+0.2)≤1.135℃/W

HSO4在自然對流時熱阻為0.95℃/W，可滿足散熱要求。
　　
散熱器的選取

散(san)熱(re)器(qi)一(yi)般(ban)是(shi)標(biao)準(zhun)件(jian)，也(ye)可(ke)提(ti)供(gong)型(xing)材(cai)，由(you)用(yong)戶(hu)根(gen)據(ju)要(yao)求(qiu)切(qie)割(ge)成(cheng)一(yi)定(ding)長(chang)度(du)而(er)製(zhi)成(cheng)非(fei)標(biao)準(zhun)的(de)散(san)熱(re)器(qi)。散(san)熱(re)器(qi)的(de)表(biao)麵(mian)處(chu)理(li)有(you)電(dian)泳(yong)塗(tu)漆(qi)或(huo)黑(hei)色(se)氧(yang)極(ji)化(hua)處(chu)理(li)
，其(qi)目(mu)的(de)是(shi)提(ti)高(gao)散(san)熱(re)效(xiao)率(lv)及(ji)絕(jue)緣(yuan)性(xing)能(neng)。在(zai)自(zi)然(ran)冷(leng)卻(que)下(xia)可(ke)提(ti)高(gao)10%~15%，在通風冷卻下可提高3%，電泳塗漆可耐壓500V~800V。散熱器廠家對不同型號的散熱器給出熱阻值或給出有關曲線
，並且給出在不同散熱條件下的不同熱阻值。

功率器件使用散熱器的目的是要控製功率器件的溫度，尤其是結溫Tj

，使其低於功率器件正常工作的安全結溫，從而提高功率器件的可靠性。常規散熱器趨向標準化
、係列化、通用化
，而新產品則向低熱阻

、多功能、體積小、質量輕、適用於自動化生產與安裝等方向發展。合理地選用
、設計散熱器，能有效降低功率器件的結溫
，提高功率器件運行的可靠性。

各ge種zhong功gong率lv器qi件jian的de內nei熱re阻zu不bu同tong，安an裝zhuang散san熱re器qi時shi由you於yu接jie觸chu麵mian和he安an裝zhuang力li矩ju的de不bu同tong，會hui導dao致zhi功gong率lv器qi件jian與yu散san熱re器qi之zhi間jian的de接jie觸chu熱re阻zu不bu同tong。選xuan擇ze散san熱re器qi的de主zhu要yao依yi據ju是shi散san熱re器qi熱re阻zuRtf。在不同的環境條件下，功率器件的散熱情況也不同。因此，選擇合適的散熱器還要考慮環境因素
、散熱器與功率器件的匹配情況以及整個電子設備的體積、質量等因素。

首shou先xian根gen據ju功gong率lv器qi件jian正zheng常chang工gong作zuo時shi的de性xing能neng參can數shu和he環huan境jing參can數shu，計ji算suan功gong率lv器qi件jian結jie溫wen是shi否fou工gong作zuo在zai安an全quan結jie溫wen之zhi內nei，判pan斷duan是shi否fou需xu要yao安an裝zhuang散san熱re器qi，如ru需xu安an裝zhuang則ze計ji算suan相xiang應ying的de散san熱re器qi熱re阻zu，初chu選xuan一yi散san熱re器qi
；安裝後重新計算功率器件結溫
，判斷功率器件結溫是否在安全結溫範圍之內，從而判斷所選散熱器是否滿足要求
；對於符合要求的散熱器，應根據實際工程的需要進行優化設計。

通(tong)過(guo)功(gong)率(lv)器(qi)件(jian)發(fa)熱(re)原(yuan)理(li)的(de)分(fen)析(xi)和(he)散(san)熱(re)計(ji)算(suan)，可(ke)以(yi)指(zhi)導(dao)設(she)計(ji)散(san)熱(re)方(fang)式(shi)和(he)散(san)熱(re)器(qi)的(de)選(xuan)擇(ze)，保(bao)證(zheng)了(le)功(gong)率(lv)器(qi)件(jian)工(gong)作(zuo)在(zai)安(an)全(quan)的(de)溫(wen)度(du)範(fan)圍(wei)內(nei)，減(jian)少(shao)了(le)質(zhi)量(liang)問(wen)題(ti)，提(ti)高(gao)了(le)電(dian)子(zi)產(chan)品(pin)的(de)可(ke)靠(kao)性(xing)。電(dian)子(zi)設(she)備(bei)的(de)可(ke)靠(kao)性(xing)還(hai)同(tong)元(yuan)器(qi)件(jian)、結構
、裝配、工藝


、加工質量等有關
，在實際工程應用上，還應通過各種試驗取得反饋數據來完善設計，進一步提高電子設備的可靠性。