白琳　劉娟

摘 要：電子元器件以及電子設備已經(jīng)在人們生產生活當中的各個領域內所應用。隨著電子元器件的集成度越來越高以及功率要求越來越大，因此必然會引起電器元器件的熱效應，因此對于大功率電子元器件或電子設備需要進行熱設計。文章對大功率電子元器件及設備結構熱設計的考慮因素，設計流程及要求以及主要參數(shù)計算等均作了簡單闡述，可以對研究大功率電子元器件及設備結構的熱設計起到積極作用。

關鍵詞：大功率；電子元器件；電子設備；熱設計

前言

隨著現(xiàn)代社會的發(fā)展，電子設備已經(jīng)在人們的生產生活當中得到普遍應用。因此電子設備的可靠性對于人們的生產生活具有十分重要的作用。特別是在一些關鍵或核心領域，即使是一個小的電子元器件出現(xiàn)問題，都極易可能造成極大的危害。特別是近些年隨著硅集成電路的普遍應用，電路的集成得到了成倍的增加，因此各電子元器件或芯片的熱量也得到了相應的增加。同時在電子產品小型化，高功率的背景下，電子元器件或電子設備的散熱問題就成為了保障設備安全可靠的關鍵性問題。因此對于現(xiàn)代電子元器件或電子設備若想保持安全可靠性就需要采取科學合理的熱設計。

1 大功率電子元器件及設備結構熱設計的考慮因素

1.1 大功率電子元器件及設備結構的傳熱方式

大功率電子元器件及設備結構的傳熱方式有三種，即導熱、對流和輻射。其中導熱基本是由氣體分子不規(guī)則運動時相互碰撞，金屬自由電子的運動，非導電固體晶格結構的振動以及液體彈性波產生的。對流則是指流體各部分之間發(fā)生相對位移時所引起的熱量傳遞過程。對流僅發(fā)生在流體中，且必然伴隨著導熱現(xiàn)象。流體流過某物體表面時所發(fā)生的熱交換過程稱為對流。輻射主要為電磁波一般考察與太陽、空間環(huán)境間的傳熱時才考慮，其輻射傳熱系數(shù)為：

1.2 大功率電子元器件結溫

從廣義上將元器件的有源區(qū)稱為“結”，而將元器件的有源區(qū)溫度稱為“結溫”。元器件的有源區(qū)可以是結型器件的Pn結區(qū)，場效應器件的溝道區(qū)或肖特器件的接觸勢壘區(qū)，也可以是集成電路的擴散電阻或薄膜電阻等，默認為芯片上的最高溫度。大功率電子元器件的最高結溫，對于硅器件塑料封裝為125～150℃，金屬封裝為150～200℃。對于鍺器件為70～90℃當結溫較高時（如大于50℃），結溫每降低40～50℃，元器件壽命可提高約一個數(shù)量級。所以對于航空航天和軍事領域應用的元器件，由于有特別長壽命或低維護性要求，并受更換費用限制以及須承受頻繁的功率波動，平均結溫要求低于60℃。

1.3 大功率電子元器件的熱環(huán)境

元器件的環(huán)境溫度是指元器件工作時周圍介質的溫度。對安裝密度高的元器件的環(huán)境溫度只考慮其附近的對流換熱量，而不包括輻射換熱和導熱。熱環(huán)境按下列條件設定，冷卻劑的種類、溫度、壓力和速度；設備的表面溫度、性質和黑度；電子元器件和設備周圍的傳熱途徑。

2 大功率電子元器件及設備結構熱設計的流程及要求

2.1 設計流程及要求

大功率電子元器件及設備結構熱設計其實質是利用熱的傳遞特性。在設計上利用一些冷卻裝置進而將電子元器件及設備的熱量進行轉移。其主要目的就是要為電子元器件及電子設備創(chuàng)造良好的熱環(huán)境。因此其設計的主要環(huán)節(jié)為掌握各個環(huán)節(jié)的熱效應參數(shù)，并通過合理的冷卻裝置達到設備可靠性的要求。大功率電子元器件及設備結構熱設計的流程為首先明確熱設計目的，而后掌握熱設計原則，了解熱設計的要求和步驟，利用正確的熱設計方法最終得出熱設計報告。一般熱設計的要求應滿足電子元器件或電子設備的允許最高工作溫度，滿足電子元器件或電子設備的熱環(huán)境工作要求，滿足電子元器件或電子設備冷卻系統(tǒng)的限制要求，滿足相應的國家標準及規(guī)范。

2.2 設計原則

（1）電子元器件或電子設備的升溫由散熱量來控制；（2）大功率電子元器件及設備結構熱設計必須選擇合理的熱傳遞方式；（3）電子元器件或電子設備的功耗、熱阻及溫度是設計當中的重要參數(shù)；（4）選取冷卻系統(tǒng)應注重簡單、有效、經(jīng)濟并適用于環(huán)境條件的要求；（5）要通盤考慮尺寸、重量、電路布局等綜合性因素；（6）熱設計需要與電氣和機械設計緊密配合并保持實時性；（7）熱設計不允許有損于電子元器件或電子設備的電性能；（8）其他具體性要求要根據(jù)產品的實際需求綜合考慮，并允許出現(xiàn)大的容差。

3 大功率電子元器件及設備結構熱設計的主要參數(shù)計算

3.1 元器件總熱阻

元器件總熱阻=內熱阻+表面熱阻+外熱阻，其中內熱阻一般由元器件生產商提供與設計和生產方法有關，不是嚴格意義上的內熱阻，不受外部散熱翅片或其它散熱方式影響。表面熱阻為元件封裝上表面與散熱翅片下表面間隙間的導熱接觸熱阻無法準確預測，即使最準確的實驗測量也會有20%的誤差。外熱阻是電子設備熱設計工程師可改變的以散熱翅片為例，外熱阻與翅片材料的導熱系數(shù)、翅片效率、表面面積和表面對流換熱系數(shù)有關。

3.2 熱沉和熱流分配

熱流量經(jīng)傳熱途徑至最終的部位，通稱為“熱沉”。它的溫度不隨傳遞到它的熱量大小而變，它相當于一個無限大的容器，可能是大氣、大地、大體積的水或宇宙，這取決于被冷卻設備所處的環(huán)境。電子設備內的熱流量以多種形式通過不同的路徑進行傳遞，最后達到熱沉，使各個節(jié)點的溫度保持在所要求的數(shù)值范圍內。從實際傳熱觀點而言，熱設計時應利用中間散熱器，它們一般都屬于設備的一部分。它們可以是設備的底座、外殼或機柜、冷板、肋片式散熱器或設備中的空氣、液體等冷卻劑。

3.3 理論耗散功耗

電子器件產生的熱量是其正常工作時必不可少的副產物。當電流流過半導體或者無源器件時，一部分功率就會以熱能的形式散失掉。耗散功率為：Pd=VI

如果電壓或者電流隨時間變化，則耗散功率由平均耗散功率給出：

3.4 電感和電容

電感電路中沒有能量損耗，但是，在儲能、釋能過程中，電感與電源之間不斷地進行著能量互換。這種能量互換的規(guī)模通常為無功功率PQ。由兩個金屬板極并在其間夾有電絕緣介質構成的能夠積累電荷、儲存電場能量的元件。電容器不消耗電源能量，只是與電源作周期性能量互換。

3.5 冷卻方法的選擇

溫升為40度時，各種冷卻方法的熱流密度和體積功率密度值。冷卻方法可以根據(jù)熱流密度與溫升的要求，按圖所示關系進行選擇，這種方法適用于溫升要求不同的各類設備的冷卻。利用金屬導熱是最基本的傳熱方法，其熱路容易控制。而輻射換熱則需要比較高的溫差，且傳熱路徑不易控制。對流換熱需要較大的面積。在安裝密度較高的設備內部難以滿足要求。

4 結束語

綜上所述，大功率電子元器件及設備結構的熱設計首先要掌握大功率電子元器件及設備結構的傳熱方式，大功率電子元器件結溫和大功率電子元器件的熱環(huán)境。在這一基礎上通過相應的設計流程和原則對元器件總熱阻，熱沉和熱流分配，理論耗散功耗以及電感和電容等參數(shù)進行計算，最終選定冷卻方法進而完成大功率電子元器件及設備結構的熱設計。

參考文獻

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