随着电子技术不断发展,大功率器件发热功耗越来越大、热流密度不断增加。产品散热设计对产品可靠性有着至关重要的影响。要对大功率器件进行良好的散热设计,首先要了解功率器件热性能指标,然后通过选择合适的散热方式,正确风道设计以及对散热器进行必要优化分析,最后规范、正确安装散热器使器件达到最佳散热效果。
1、 器件热性能参数
器件厂家会提供器件焊接温度、封装形式、工作温度范围、器件结点温度限制、内部热阻等信息,这是参数是进行散热设计基础和前提。下面对一些常用热参数逐一说明:
TDP—器件热耗散功耗,单位W(瓦),表示器件实际发热量大小
Tc--器件壳体温度,单位℃
Tj--结点温度,单位℃。结点温度提高,半导体器件性能将会下降。结点温度超过最大限制,器件寿命极度下降烧毁。这是进行热设计关注焦点。
Ta--环境温度,单位℃
Rja--结点到环境热阻,单位℃/W
Rjc--结点到器件壳热阻,单位℃/W
归根到底,热设计主要任务是要满足: Tj< Tj(max)并留有适当余量(通常要保证有10%以上余量)。
Tj(max)=P* Rjc+ Tc(max)
Tc(max)即器件表面最高温度,很显然散热设计越成功,Tc(max)就会越低。
2、 散热方式选择
系统散热方式选择应充分考虑系统发热功耗,温度/体积/重量要求,防护等级,散热装置可操作性,价格等诸多因素,最终选择最适合自己产品、有效散热方式。 散热主要分为:自然散热、强迫风冷。液体冷却等。目前普遍采用散热方式仍然是风冷。下表反映了不同散热方式状况下热流密度与温升关系。
自然散热:空气自然对流将热量带到周围空间。这种散热方式可以用发热功率不大,重量,温度等要求不高场合。优点:结构简单、无噪音、价格低廉。
强迫风冷:发热功耗大器件,选用强迫风冷是很必要,尤其配合一些高效能散热器可以达到理想散热效果。强迫风冷换热效率高,一般是自然散热方式数倍。优点:散热效率高,产品重量可被大幅度降低。
3、 风机选型以及风道设计
系统采用强迫风冷散热方式,选择合适散热风机直接决定了系统散热状况。要进行风机选型,首先需要确定系统所需要散热风量,下面公式计算:
其中?T表示了系统进/出风口温度差。
风机选型要结合系统风量需求、系统阻力、风扇特性曲线等要求进行综合评估确认。
强迫风冷系统风道实际很关键,风道一般分为送风和抽风两种方式,这两种方式优缺点分别是:
送风方式:
A、风扇出口附近气流主要为紊流流动,局部换热强烈,宜用于发热器件比较集中情况,此时必须将风扇主要出风口对准集中发热元件
B、吹风时将设备内形成正压,可止缝隙中灰尘进入设备
C、风扇将不会受到系统散热量影响,工作较低空气温度下,风扇寿命较长
抽风方式:
A、送风均匀,适用于发热器件分布比较均匀,风道比较复杂情况
B、进入风扇流动主要为层流状态
C、风扇将出风口高温气流下工作,寿命会受影响
D、系统内形成负压,缝隙中灰尘将进入机柜/箱
4、 散热器优化
大功率器件散热器优化主对散热器基板厚度、齿片厚度,间距,高度,表面处理方式等参数进行优化设计。计算机仿真技术不断进步,我们可以依托电子热仿真分析软件对散热器进行优化,优化结果准确、直观。
5、 正确安装
正确合理安装可以保障散热产品良好发挥其作用,提升产品整体可靠性。我们知道:散热产品安装过程中主要保证器件与散热器有着良好、充分表面接触----使器件与散热器之间接触热阻尽可能低。
影响接触热阻主要因素有以下几方面原因
1、 接触面平面度
2、 散热产品与热源接触压力
3、 热界面材料选用和涂抹
正确涂抹界面材料建议使用专用治具,可以参考下面图片,保证热界面材料均匀,通常厚度需要控制0.12—0.18mm之间。