半导体器件的热阻和散热器设计资料
半导体功率器件的散热计算(精)
半导体功率器件的散热计算晨怡热管2006-12-31 0:58:06【摘要】本文通过对半导体功率器件发热及传热机理的讨论，导出了半导体功率器件的散热计算方法。
【关键词】半导体功率器件功耗发热热阻散热器强制冷却一、半导体功率器件的类型和功耗特点一般地说，半导体功率器件是指耗散功率在1瓦或以上的半导体器件。
按照半导体功率器件的运用方式，可分为半导体功率放大器件和半导体功率开关器件。
1、半导体功率放大器件半导体功率放大器又因其放大电路的类型分为甲类放大器、乙类推挽放大器、甲乙类推挽放大器和丙类放大器。
甲类放大器的理论效率只有50%，实际运用时则只有30%左右；乙类推挽放大器的理论效率也只有78.5%，实际运用时则只有60%左右；甲乙类推挽放大器和丙类放大器的效率介乎甲类放大器和乙类推挽放大器之间。
也就是说，半导体功率放大器件从电源中取用的功率只有一部分作为有用功率输送到负载上去，其余的功率则消耗在半导体功率放大器件上，半导体功率放大器在工作时消耗在半导体功率放大器件上的功率称为半导体功率放大器件的功耗。
半导体功率放大器件的功耗为其集电极—发射极之间的电压降乘以集电极电流：P D=U ce·I c（式1—1）式中P D为半导体功率放大器件的功耗（单位W）。
U ce为半导体功率放大器件集电极—发射极之间的电压降（单位V）。
I c为半导体功率放大器件的集电极电流（单位A）。
线性调整型直流稳压电源中的调整管是工作在放大状态的半导体功率放大器件，所以其功耗的计算和半导体功率放大器件的功耗计算是相似的。
例如一个集成三端稳压器，其功耗就是：输入端—输出端电压差乘以输出电流。
2、半导体功率开关器件半导体功率开关器件例如晶体闸流管、开关三极管等。
它们的工作状态只有两个：关断（截止）或导通（饱和）。
理想的开关器件在关断（截止）时，其两端的电压较高，但电流为零，所以功耗为零；导通（饱和）时流过它的电流较大，但其两端的电压降为零，所以功耗也为零。
半导体器件结到壳热阻测试研究
半导体器件结到壳热阻测试研究引言：半导体器件的热阻测试是一个关键的环节，它能够评估电子器件之间的热传导性能。
热阻测试可以帮助工程师确定器件的散热性能，从而避免过热造成的损坏和故障。
本文将对半导体器件结到壳热阻测试的研究进行探讨，并介绍一些测试方法和技术。
一、半导体器件热阻的定义和意义1.热阻：热阻是指在单位温度差下，单位面积内热流通过的阻力。
在半导体器件中，热阻是指电子器件之间传热效果的衡量指标。
热阻越小，表示器件的导热性能越好。
2.意义：半导体器件的散热性能直接影响到其稳定性和寿命。
通过热阻测试，可以了解器件的散热性能，并根据测试结果对器件进行设计和优化，从而提高器件的工作效率和可靠性。
二、半导体器件结到壳热阻测试方法1.实验法：实验法是最常用的热阻测试方法之一，可以使用热阻计或热阻测试仪器进行测试。
测试时，将半导体器件和散热器连接在一起，通过加热或给予热源，测量器件结温和散热器壳温，并计算热阻值。
实验法的优点是测量结果准确可靠，但测试过程较为繁琐。
2.数值模拟法：数值模拟法是通过计算机模拟的方法，对半导体器件的热阻进行估算。
这种方法可以根据器件结构和材料参数，计算出器件的热阻，从而在设计和优化过程中提供参考。
数值模拟法的优点是便捷快速，但需要准确的器件模型和材料参数。
3.热红外成像法：热红外成像法是一种非接触式的热阻测试方法，可以通过红外相机对器件的温度分布进行监测和记录。
通过分析红外图像，可以直观地了解器件的热分布情况，并间接估算热阻值。
热红外成像法的优点是非接触式测量、实时性好，但需要较高的设备成本。
三、半导体器件结到壳热阻测试技术1.界面材料的选择：界面材料是影响半导体器件热阻的重要因素之一、合适的界面材料可以提高器件的传热效率，常见的界面材料包括硅脂、硅胶和金属填充物等。
2.导热方法的优化：半导体器件的结到壳热阻受到热传导路径的影响，优化导热方法可以降低热阻。
常见的导热方法包括热泥涂覆、热垫片和热界面材料的使用。
半导体功率器件的散热设计
半导体功率器件的散热设计摘要：本文主要阐述功率器件的散热原理及加装散热器的必要性，介绍如何正确选用散热器。
关键词：结温；散热器；散热；热阻Abstrct: This papermainly expounds the necessityandprinciple of powerdevices withheatradiator,introduceshow to choose the rightradiator.Keyword: junction temperature radiator coolingthermalresistance引言半导体功率器件是多数电子设备中的关键器件，其工作状态的好坏直接影响整机可靠性。
相关实验已经证明，器件工作温度直接影响其自身的可靠性，但是在功率转换电路中，器件自身会消耗一部分能量，这部分能量会转换为热量，使器件的管芯发热、结温升高，当结温超过器件自身规定的允许值时，电流会急剧增大而使晶体管烧毁。
要保证结温不超过允许值，就必须将产生的热量有效的散发出去。
要解决散热问题可以从如下两方面入手，一是通过优化设计方式来减少发热量，如采用通态压降低的器件；另一方面是利用传导、对流、辐射的传热原理，将热量快速释放到周围环境中去，以减少热积累，使器件工作温度降低，如采用合适的散热器。
本文主要针对上述第二个方面进行探讨，分别从热设计相关概念、散热过程、正确选用散热器方法以上三个方面进行分析，以实例介绍方法的有效性。
散热过程是一个非常复杂的过程，影响因素较多，本文仅针对关键参数进行介绍，所有计算均为理想计算，与实际情况会存在一定的偏差。
一、热设计相关参数1.耗散功率在电路中功率器件自身消耗的功率。
2.热阻热量在热流路径上遇到的阻力，反映介质或介质间的传热能力，即1W的热量所引起的温升大小，单位为℃/W或K/W。
3.元件最高结温元件允许的最高工作温度极限，可参考本文提供的数据手册。
4.散热器用于加速发热体散热，防止元件热积累的装置，一般分为型材散热器和叉指散热器。
半导体器件的热阻参数_理论说明
半导体器件的热阻参数理论说明1. 引言1.1 概述半导体器件在现代电子设备中扮演着重要角色，它们广泛应用于各种领域，如通信、计算机、消费电子等。
随着电子设备的不断发展和性能要求的提高，对半导体器件的可靠性和散热管理方面提出了更高的要求。
因此，了解和研究半导体器件的热阻参数以及其与设计相关的关系变得至关重要。
1.2 文章结构本文将首先介绍半导体器件的热阻参数，包括对热阻概念的定义和理解、热传导机制以及测量方法。
接下来，我们将探讨热阻参数与半导体器件设计之间的关系，以揭示温度对器件性能和可靠性的影响，并强调优化热管理策略在实际设计中的重要性。
最后，通过实际应用案例分析，我们将进一步探讨电子设备中面临的热管理挑战，并分享采用高效热散设计解决方案的成功案例。
1.3 目的本文旨在全面介绍半导体器件的热阻参数，并深入探讨其与器件设计之间的关系。
通过对温度、热阻以及优化热管理策略的分析，我们旨在提供给读者一个更清晰和全面的认识，使其能够在实际应用中更好地理解和应用相关概念、原理和技术。
此外，我们还将展望未来发展趋势，并提出相应的建议，为半导体器件设计和热管理领域的进一步发展贡献我们自己的观点和思考。
2. 半导体器件的热阻参数2.1 热阻概念热阻是描述物体或材料传导热量能力的参数，它反映了温度差（ΔT）在中间物质层中流动热量的难易程度。
在半导体器件中，热阻主要指的是从芯片到芯片周围环境的热电路路径。
2.2 热传导机制半导体器件中的热传导主要通过三种方式进行，分别为热辐射、传导和对流。
其中，热辐射是通过电子与光子之间发生相互作用产生的能量传递；传导是指材料内部颗粒间由于温度差异引起的分子之间能量传递；对流则是指能量通过流体介质之间实现的。
2.3 热阻参数的测量方法一般来说，我们可以通过实验手段来测量半导体器件的热阻参数。
常见的方法包括使用红外摄像仪进行表面温度监测、使用矩形块法测定材料样品上下表面温度差以计算有效热阻值等。
浅析电子设备中功率器件的热设计与散热设计
浅析电子设备中功率器件的热设计与散热设计0 引言电子设备（产品）在工作过程中，随着温度达到或超过规定的温度值时，就会引起或增大电子设备的失效率，也就是过热失效。
过热失效的原因主要来自电子设备中功率器件的过热。
因此，做好电子设备中功率器件的热设计与散热设计是提高电子设备（产品）质量与可靠性的关键环节。
本文就电子设备中功率器件的热性能、功率器件热设计、散热器设计、散热技术的发展等，做进一步的研究和探讨[1]。
1 功率器件的热性能功率器件在受到来自器件本身工作时（内部）产生的热或受到器件壳体（外部）接触到的热源影响，又得不到及时地散热，就会导致功率器件内部芯片（有源区）的温度（结温）升高，使器件的可靠性降低无法正常工作。
功率器件的热性能：结温和热阻[2]。
1.1 结温。
功率器件的内部芯片有源区（如晶体管的pn结区、场效应器件的沟道区、集成电路的扩散电阻或薄膜电阻等）的温度称为结温。
当功率器件的结温温度（tj）超过其环境温度（ta）时，由温差变化形成的热扩散流，把器件芯片上的热量传递到管壳并向外散发热能，并随着器件结温与环境温差(tj-ta)的变化增大而使传热量增大。
1.2 热阻。
功率器件传递热量能力的大小称为热阻（rt），热阻（rt）的值增大时，功率器件的散热能力就减小。
热阻分为内、外热阻：①内热阻是功率器件本身的热阻，并与功率器件的芯片、外壳材料的导热率、厚度和截面积等有关。
②外热阻是功率器件外部的热阻，并与功率器件外部（管壳）的封装形式（如金属管壳的外热阻<塑封管壳）有关，而且管壳面积越大，外热阻越小。
2 功率器件的热设计功率器件热设计的目的是为了防止器件工作时所产生的温度过高，致使器件（过热引起热失效）无法正常工作。
在功率器件热设计过程中，不仅要作好器件内部芯片、封装形式和管壳的热设计，还要加装合适的散热器进行有效散热，保证器件在安全结温之内正常可靠的工作[3]。
2.1 器件的性能参数和环境参数。
关于热阻设计参考
80
10
1250
1560
53
335
420
95
26
1050
1315
43
390
490
100
26
1000
1250
21
555
690
70
11
1425
1785
33
450
565
90
22
1110
1385
13
685
860
65
8
1535
1920
28
625
780
50
12
2000
2500
9
1330
1665
45
5
2220
2775
[Ψjt 计算公式]
jt
Tj Ta TC1 K VF Ta
VH IH
VH IH
[用语说明] VH：加在 TEG 芯片内部电阻的电压 IH：稳定时在 TEG 芯片内部电阻流动的电流
TC1 [℃／Ｗ] VF
VF 0 VFSS
Ver.2013-07-23
-4-
关于热阻
[最大容许功率 Pd] IC 在常温(25℃以下)时的最大容许损失是用各 IC 的绝对最大定额消耗功率(Pd)来规定的。 环境温度超过 25℃时，就需变为对应各 IC 封装的热下降曲线(Derating Curve)。 以下显示的是一般的热下降曲线。
＋
芯片抽象图
等价电路图
図 3 测量电路板概略图
[Ｋ系数]
为了求热阻，就必须要知道结温，但是又不能直接测量结温。
可是，利用结温和二极管順方向电压(VF)的温度依赖关系，可以得知结温。 VF 是温度的一次性函数，它的倾斜率称作 K 系数。
元器件的热设计和热阻分析
元器件的热设计和热阻分析
元器件是现代电子产品中必不可少的一部分。
尽管这些元器件在实际中发挥着重要作用，但它们同样涉及一些重要的技术问题，比如热设计和热阻分析。
在元器件中，各个芯片元器件不可避免地会产生热量。
与此同时，这些元器件也可能受到外部环境条件的影响。
在这种情况下，需要进行热设计和热阻分析，以确定元器件的温度、散热情况以及可能的风险因素等内容。
热设计是一个非常重要的技术手段，它可以帮助设计团队确定元器件的最大工作温度，并考虑如何改进热管理技术，以确保元器件的安全和稳定运行。
在热设计中，需要对元器件进行加热测试，以了解其热稳定性和散热能力等指标。
与热设计类似，热阻分析也是一项十分重要的技术手段。
它可以帮助确定元器件之间的热传导性能，以及热阻障碍，同时也可以帮助确定最佳组合方案，以优化元器件的热管理效果。
在热阻分析中，我们需要使用一些特殊的软件和工具来对元器件的热传导能力进行模拟和测试。
对于元器件的热设计和热阻分析而言，我们需要在各个方面进行考虑。
比如我们需要考虑元器件的材料、制造工艺、设备的各种工作情况以及环境因素。
这些因素将会对元器件的工作性能产生显著影响，从而可能影响整个系统的稳定性和可靠性。
最后，需要指出的是，元器件的热设计和热阻分析是一个非常复杂的领域，需要在各个方面进行慎重考虑。
虽然这些技术可以帮助我们确保元器件的稳定性和可靠性，但这同样需要设计团队具备丰富的技术知识和实验经验，以求在元器件的选型、设计和生产上都取得最佳效果。
半导体传热及IGBT热模型基本原理散热特点建立与测试方法
半导体传热及IGBT热模型基本原理散热特点建立与测试方法概述：IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）是一种常见的功率半导体器件，广泛应用于电力电子系统中。
在IGBT的工作过程中，会产生大量的热量，由于热量的积累会导致IGBT的温度升高，进而影响其工作性能和寿命。
因此，IGBT的散热特性对于其可靠性和稳定性有着重要的影响。
一、半导体传热基本原理：在IGBT中，热量主要通过散热器（如散热片等）和基底板来散发。
热量主要以热传导的形式从IGBT传递到散热器，再通过辐射和对流的方式将热量散发到周围环境中。
散热器的设计和散热风扇等辅助装置的使用能够有效提高散热效果。
二、IGBT热模型基本原理：为了更好地理解和分析IGBT的热特性，可以利用热模型来描述IGBT的温度分布和热传导路径。
热模型主要包括热电阻和热电容两个基本元件。
热电阻用来表示热传导的路径和阻力，而热电容则表示热量的蓄积和释放过程。
三、IGBT热特点：1.高温：IGBT在工作过程中会产生高温，需要在一定温度范围内正常工作。
2.快速散热：IGBT具有较高的频率和速度，需要快速散热以保证其工作性能和可靠性。
3.可控热导：通过适当的散热器设计和材料选择，可以控制和调节IGBT的热导率，以改善散热效果。
四、IGBT热模型建立方法：IGBT的热模型可以通过实验测试和数值模拟的方法建立。
实验测试可以通过在实际工作环境中监测和记录IGBT的温度变化，以获取相关的温度数据。
数值模拟则可以通过有限元分析等方法，基于IGBT的尺寸、材料和工作条件等参数，建立热模型并进行相关仿真。
五、IGBT热测试方法：1.温度传感器：通过在IGBT表面或内部安装温度传感器，实时监测IGBT的温度变化，可以用来评估和验证热模型的准确性。
2.热阻测试：通过制作标准测试样品，测量IGBT和散热器之间的热阻，用于评估散热系统的效果。
3.热散热测试：通过在特定工作负载下，监测和记录IGBT的温度变化，以评估系统的散热性能和稳定性。
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半导体器件的热阻和散热器设计
一、半导体器件的热阻：功率半导体器件在工作时要产生热量，器件要正常工作就需要把这些热量散
发掉，使器件的工作温度低于其最高结温Tjm 。
器件的散热能力越强，其实际结温就越低，能承受的功耗越大，输出功率也越大。
器件的散热能力取决于热阻，热阻用来表征材料的热传导性能，以单位功耗下材料的温升来表示，单位是℃/W 。
材料的散热能力越强则热阻越小，温升高则表示散热能力差，热阻大。
二、半导体器件热阻的分布：
Rt1表示从结到外壳的热阻 Rt2表示外壳到器件表面的热阻
Rta 表示从结到器件表面的热阻，即Rta=Rt1+Rt2 Rtd 为散热板到周围空气的热阻
设未加散热板时的总热阻为Rt ，加散热板后的总热阻为Rts ，则有：Rts=Rta+Rtd<<Rt
设半导体器件的最高允许结温为Tjm ，最高环境结温为Tam ，加散热板后器件的实际功耗为Pd ：
td
ta am
jm ts d R R T T R T P −−=Δ=
令Pdd 为设计功耗，Pdm 为最大允许功耗，则：Pd ≤Pdd ≤Pdm 可以得到Rtd：ta dd
am
jm td
R P T T R −−=
在确定散热板面积时要用到Rtd 值。
三、常见功率器件封装的热学参数：
国外封装 TO-220 TO-3 TO-66 TO-39
国内封装
S-7 F-2 F-1 B-4 结到外壳的热阻Rt1（℃/W ） 3 3 3 11 最大允许功耗Pdm （W ）
10 20 10 0.7 不加散热片时结到周围空气的总热阻Rt （℃/W ） 62.5 40 50 210 直接与散热板接触 7 6 6.5 26 涂导热硅脂
1 1 1 加散热片后结到器件表面的热阻Rta （℃/W ） 加0.05mm 厚的云母绝缘衬垫
1.8 1.8 1.8 常见器件型号
7800
7900
7800 7900
78M00 79M00
79L00 79L00
四、自然冷却下散热板热阻与表面积的关系：
图中给出铝板和铁板的曲线，板厚均为2mm ，散热板垂直放置，自然冷却，器件装在散热板中心位置。
可见，散热板的面积越大热阻越小，二者近似成反比，在相同表面积和厚度情况下，铝板的热阻较小，且其
密度仅为铁板的1/3，又不易生锈，所以铝板性能优于铁板。
紫铜板的散热性能更好，但密度大，价格高。
五、散热板的设计步骤：
1. 已知条件： 功率器件的封装
稳压器的实际功耗Pd 、设计功耗Pdd 、最大允许功耗Pdm ：Pd ≤Pdd ≤Pdm
允许最高结温Tjm ：即器件工作结温的上限值，一般为125℃（民品）、150℃（军品），要查手册 最高环境温度Tam：根据当地年最高气温或工作现场温度而定 所选板材及厚度
2. 查出器件的Rta 值：要根据封装形式和散热板接触方式来查表确定
3. 计算散热板对空气的热阻Rtd ：ta dd
am
jm td
R P T T R −−=
4. 根据Rtd 值查曲线确定散热板表面积：实际面积应留出1/3余量，并由面积确定外形尺寸
5. 计算效率：总功率P 为器件消耗Pd 功率和输出功率Po 之和 P=Pd+Po 效率：k=Po/P
六、成品散热器的选择：常见成品散热器有筋片式、叉指式两种
基本计算公式：1t d
a
jm td
R P T T R −−=
管壳与周围空气的温差1t d a jm fa R P T T T −−=Δ
每种型号的散热器都有与之对应的曲线，如SRZ105型叉指式散热器就有Rtd-Pd 和ΔTfa-Pd 特性曲线。
选取散热器时可根据器件功耗Pd 查出Rtd 或ΔTfa 的值，若查得之值略小于或等于按公式计算出来的数值，则该散热器符合要求，否则要另选其他规格的散热器。
附例：
1. 已知TO-220封装的7805稳压器的Tjm=125℃，Ta=45℃，求不加散热器时的最大功耗： 解：TO-220封装的总热阻Rt=6
2.5℃/W， W R T T P t
am
jm dm
28.15
.6245
125=−=
−=
2. 用TO-3封装的7809，Vi=20V，Io=1A，Pdm=20W，Tjm=150℃，Tam=40℃。
用2mm 铝板散热，确定不涂
硅脂与涂硅脂情况下的散热板外形尺寸： 解：计算实际功耗W
X I V V P O O i d
111)920()(=−=−= 选Pdd=11W
在不涂硅脂时Rta=6℃/W： W C R P T T R ta dd
am
jm td
/4611
40
150°=−−=
−−=
查曲线得S=300cm2，留出1/3余量后为400cm2，外形取20cmX20cm 。
在涂硅脂时Rta=1℃/W，求得Rtd=9℃/W，查曲线得S=62cm2，实取84cm2，外形10cmX8.4cm 3. 用TO-3封装的7809，Tjm=125℃，Rt1=3℃/W，Ta=35℃，取Pd=12.5W<Pdm W C R P T T R t d
a
jm td
/2.435
.1235
1251°=−−=
−−=
C X R P T T T t d a jm fa °=−−=−−=Δ5.5235.12351251
可选用SRZ105型叉指式散热器。
注：散热片制成圆形或正方形时散热效果比较理想，若制成长方形则长宽比不要超过2:1 器件尽量安装在散热板中心处，如要求绝缘需加云母衬垫和绝缘套管，也可选聚酯薄膜作绝缘衬垫。
散热片应尽量远离工频变压器、功率管等热源。
（本文主要摘自《新型单片开关电源的设计与应用》沙占友等编著 电子工业出版社2001年版 dwenzhao 整理）。