贴片式功率器件的散热计

贴片式功率器件的散热计算

Heat Dispersion Calculation of Surface Mounted Power Device

北京航空航天大学方佩敏

自上世纪90年代开始，贴片式封装器件逐步替代了穿孔式封装器件。近年来，除少数大功率器件还采用穿孔式封装外，极大部分器件都采用贴片式（SMD）封装。由于贴片式功率器件封装尺寸小，不能采用加散热片的方法来散热，只能用印制板的敷铜层作为散热（一定的面积）。因此在贴片式功率器件的应用中需要在印制板（PCB）布局前，考虑所需的敷铜层散热面积。

本文介绍Micrel 公司推荐的一种简单计算方法，它可以根据选定的功率器件和使用的条件进行计算，并用查图表的方式得出所需的散热敷铜层的面积。由于实际情况较复杂，会影响到计算的正确性，比如使用印制板的厚度尺寸不同、敷铜层的厚度尺寸不同、印制板走线的宽度不同及机壳的容积大小和有无散热孔等，所以这种计算是一种粗略的估算。计算过程中，可以发现设定的使用条件是否合理，选择器件的封装尺寸大小是否能满足散热的需求。

两种过热保护

功率器件在工作过程中会产生热量使管芯的温度升高，在最大的功率输出时产生的热量最大，使管芯的温度升得最高。如果散热条件不佳，则管芯的结温超过150℃时，使器件损坏（一般称为“烧掉”）。如果散热条件良好，但使用过程中出现故障（如负载发生局部短路、线性稳压电源发生调整管短路等），则输出功率超过最大允许输出功率，会使功率器件损坏。功率器件设计者设计了两种过热保护措施：自动热调节和过热关闭保护，提高了器件的安全性及可靠性。

用户在设计PCB 散热面积时，要保证在正常最大输出功率时不出现自动热调节（自动减小输出功率）和热关闭（无输出）现象。只有在出现故障时才出现过热保护。

散热与热阻

功率器件在工作时，管芯的热量通过封装材料传导到管壳、经管壳传到敷铜板散热面，再由散热面传到环境空气中。这种热的传导过程中会有一定的热阻，如管芯传到管壳的热阻JC θ，管壳传到敷铜板的热阻CS θ，敷铜板散热面传到环境控制的热阻SA θ，这种热的传导（热的流向）

如图1所示，图中管芯的温度结温为J T 、环境空气的温度为A T 。温度由高的流向低的，从管芯到环境空气总的热阻JA

θ与热传导过程的各热阻的关系为：

SA CS JC JA θθθθ++=⑴

各种热阻的单位是℃/W。热阻大，散热差。

管芯

环境

空气

J

T A

T JA

θJC

θCS

θSA

θ热的流向

图1

各种不同的封装，如SOT23-3、SOT223-3和SOT89-3等都有一定的封装尺寸及不同封装结构，其JC θ都不同。同样封装及引脚数时，不同功能的器件，其JC θ是基本相同的（同样封装中因管芯尺寸不同，JC θ略有差别）。

管壳与敷铜板的接触情况不同：管壳与敷铜板紧贴着（如SOT23-3、SOIC-8），另有一些封装在器件底面有金属散热垫（如SOT89、DPAK3和DFN 封装），它直接与敷铜板焊在一起，利于散热。两种情况下CS θ不同，管壳不与敷铜板焊接的，根据接触情况不同，其C/W 2~5.0θCS °=；管壳与敷铜板焊接的0θCS =。

热阻SA θ与散热的敷铜层面积、单面散热或双面散热及敷铜板的铜层厚度有关，另外与有无通风条件有关。

热阻JA θ与最大允许的结温J T 、环境空气的温度A T 及最大的功耗Dmax P 的关系式为：

max

D A J JA P T T θ?=

（单位：℃/W）⑵

例如，最大允许结温为125℃，在环境温度50℃条件下工作，最大功耗为1.5W，代入上式可得C/W 50θJA

°=。

计算表明：最大功耗为1.5W 时，在50℃的环境温度下工作，要使结温不超过125℃，其热阻JA

θ要≤50℃/W。

热阻SA θ及单层敷铜板面积SA θ（℃／Ｗ）

Micrel 公司给出了SA θ与所需的单层敷铜板、水平放置、铜层上有镀层的敷铜层的面积（以

2mm 为单位）特性图，

如图2所示，实线的曲线是无风冷（自然冷却）的特性，虚线是有m/sec 3.1风速气流风冷的特性。

例如，已计算出C/W 25θSA

°=时，若是

自然冷却，可按图2实线找出其所需的面积为

2mm 3500（约

mm 59mm 59×）；若C/W 30θSA °=，则所需

面积为2mm 2500（

mm 50mm 50×）；若C/W 30θSA °=，有

m/sec 3.1的气流冷却，

则其面积仅需2mm 1000（mm 6.31mm 6.31×）。

从公式（1）及公式（2）可知，SA θ可用下式表达

)θθ(P T T θCS JC Dmax

A

J SA +?=

⑶

在选定功率器件的封装后，可以找到该封装的JC θ值，并可以确定其CS θ值。在器件资料中可找到最大允许结温J T 。根据设计中提出使用器件的条件，如输入电压IN V 、输出电压OUT V 及输出电流OUT I 等参数及使用的环境温度A T ，可计算出Dmax P 。则公式（3）的SA θ值可求得，相应的敷铜板面积也可以求出。下面将举一些例子说明计算的步骤。

TO-263封装

设计一线性稳压器。已知的条件：V 0.5V OUT =，V 0.9V IN(max)=，V 6.5V IN(min)=，

mA 700I OUT =，工作环境温度最高C 50°。

选择MIC2937A-5.0BU 低压差线性稳压器，其主要参数：IN V 范围可达26V，输出电流OUT I 可达mA 750，

地电流mA 15I GND =，输出电压精度%2V 0.5±，最高结温C 125T J °=，3引脚TO-263封装（其C/W 3θJC °=）。其参数能满足要求。

散热计算：

1）最大输出功率计算

()GND

IN(max)OUT OUT(min)IN(max)Dmax I V I V V P ×+×?=W

3)mA 15V 9(A 7.0)V 9.4V 9(=×+×?=2）要求的热阻JA θ计算

()C/W 25W

3C 50C 125P T T θDmax A J JA °=°?°=?=

3）SA θ的计算

()

CS JC JA SA θθθθ+?=因为TO－263的散热垫直接焊在敷铜板上，所以0θCS =，则

C/W

22C/W 3C/W 25θθθJC JA SA °=°?°=?=按图2的实线曲线图（无风冷）要求的敷铜层的面积为2mm 5000，可取mm 71mm 71×。

两种封装的选择

要满足已知条件：V 0.5V OUT =、V 14V IN(max)=、V 6.5V IN(min)=、mA 150I OUT =、

C 50T A(max)°=的线性稳压器型号是 5.0BS MIC5201?，它有两种封装：8SO ?及。223SOT ?。

选择哪一种封装可按散热计算后确定。

根据 5.0BS MIC5201?资料可知：最大结温C 125T J °=，8SO ?封装的C/W 100θJC °=，

mA 8I GND =。

⑴Dmax P 的计算：

()()W

46.10.08A 14V A 15.0V 5V 14P Dmax =×+×?=⑵JA θ的计算：

()C/W

3.51W 46.1/C 50C 125θJA °=°?°=⑶SA θ计算：

C/W

48.7C/W 100C/W 3.51θSA °?=°?°=计算得SA θ是负数，说明不能满足散热要求，即8SO ?封装的 5.0BS MIC5201?不能用。采用223SOT ?的计算：

223SOT ?的C/W 15θJC °=，它的背面金属散热垫直接焊在敷铜板上，所以0θCS =，并且该封装的mA 5.1I GND =。

⑴Dmax P 的计算：

()()W

4.115mA 14V A 1

5.0V 5V 14P Dmax =×+×?=⑵()C/W 54W 4.1/C 50C 125θJA °=°?°=⑶C/W 39C/W 15C/W 54θSA °=°?°=可从图2中找出敷铜层面积为2mm 1400。

CN5611大功率LED 驱动器的散热计算

CN5611是一种大功率LED 驱动器。

其工作电压范围V 6~7.2，

输出恒流驱动电流可设定，最大电流可达A 2.1；输出电流精度%8±；最高结温C 125°（超过C 125°有热关断保护），5引脚SOT89封装，

C/W 10θJC °=，其典型应用电路如图3所示。图中ISET R 是驱动电流设定电阻，内部的

MOSFET N ?是控制

驱动电流的功率器件，这里作其散热计算（确定所需的敷铜层散热面积）。已知条件：电源电压

V 2.0V 5V DD ±=、驱动的白光LED 的电流为mA 700，其正向压降F V 范围为V 8.3~V 2.3，最

大环境温度C

50°⑴Dmax P 的计算（由图3可知）：

()() 1.5W

mA 750V 2.3V 2.5I V V P LEDmax Fmin DDmax Dmax =×?=×?=⑵JA θ的计算：

()C/W

50W 5.1/C 50C 125θJA °=°?°=⑶SA θ的计算：

()

CS JC JA SA θθθθ+?=因为SOT89的底面散热垫直接焊在敷铜板上，其0θCS =，故

C/W 40C/W 10C/W 50θθθJC JA SA °=°?°=?=。

根据图2查得敷铜层面积为2

mm 1600（可采用mm 40mm 40×面积作散热用）。

以上的散热面积是单面敷铜板，若采用双面敷铜板散热，其面积可乘以7.0~6.0计算。例如上例中计算面积为2

mm 1600，若采用双面敷铜板散热，并钻较多金属化孔（使上下敷铜层金属相连接），增加上下层空气流动，则上下层面积和为2mm 1120~960（与印制板厚度有关）。

不同封装的JC θ值

在功率器件资料中有的给出JC θ值，但有的给出A J 值或给出器件的最大功耗值（某一温度下的值）。这里收集了一些不同封装的JC θ值供参考。要说明的是，同一种封装其引脚数有不同，则JC θ也有一些差别；另外，虽然封装相同，但管芯尺寸不同，其JC θ也有差别，这种差别在估算中影响不大，不同封装的JC θ如表1所示。

封装C/W)

(θJC °封装

C/W)

(θJC °SO－8100TO－252、DPAK、TO263

2－3SOT－23－3110－130MSOP－839.1

SOT－23－580－82SOT－895引脚10，3引脚12

SOT－223153×3mm DFN 12DO

PAK

1.5－1.8

8引脚μMAX

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从表1也可以看出：封装的底面有金属散热垫的器件其JC θ较小。

结束语

不同的半导体器件厂给出的贴片式功率器件的散热计算方法大致相同，例如Technology Linear 公司的计算方法差别仅仅是给出了不同的双面散热面积的JC θ值，最后计算出的

J T 要满足小于最大允许结温值。

由于JC θ值可能有一些差值，还加上机壳的结构、容积及油污通气孔等差别，所以是一种估算，最后还要做实验来修正。

参考：https://www.360docs.net/doc/9411085809.html,/p-11944029.html 贴片式功率器件的散热计算