半導(dǎo)體和電子產(chǎn)品如何有效散熱和結(jié)溫分析

電氣設(shè)計只是電子產(chǎn)品的開始，散熱是任何可靠設(shè)計都要考慮的重要部分。這篇有關(guān)散熱設(shè)計的文章對老練的工程師來說是溫故知新，對菜鳥級工程師來說則是一個新的概念。

半導(dǎo)體達(dá)不到100％的效率，功耗會以熱能形式散發(fā)和轉(zhuǎn)移。由于半導(dǎo)體是靠電能才能工作的器件，散熱無論在性能和產(chǎn)品使用壽命方面都起著重要作用。不管是模擬還是數(shù)字器件，情況都一樣。開關(guān)功耗與頻率有關(guān)，隨著半導(dǎo)體和電子產(chǎn)品速度的提升，功耗隨之增加。因此，了解器件會產(chǎn)生多少熱能以及如何有效散熱是很有裨益的。

我們在開始討論半導(dǎo)體結(jié)溫議題之前，需要先了解熱抗和熱阻這兩個概念。熱抗跟時間有關(guān)，而熱阻跟穩(wěn)態(tài)工作有關(guān)。想象一下在電烤爐上給平底鍋加熱的情況。需要一段時間才會熱起來，對不對？半導(dǎo)體結(jié)溫也是一樣的道理。而熱量從半導(dǎo)體結(jié)散掉也需要一點(diǎn)時間。明白這個原理是避免器件被燒壞的關(guān)鍵。

功耗主要是由于同時存在電壓和電流的傳導(dǎo)、開關(guān)和瞬態(tài)動作所導(dǎo)致。功耗的單位是瓦特。電壓乘以電流等于功率（瓦特=伏特×安培）。計算一小段時間的功率，就能得出瞬態(tài)熱溫。然后計算出一段時間內(nèi)的平均值，就可以得到半導(dǎo)體結(jié)的穩(wěn)態(tài)溫升數(shù)值。

計算功耗是以瓦特為單位，而熱阻就是以每瓦特多少攝氏度（℃/W）來衡量。使用因子標(biāo)簽方法，借用由Diodes公司提出的方法和數(shù)學(xué)公式，我們可以得到：

Rth（JX Θ ） = （Tj –Tx） / P

其中P是從半導(dǎo)體結(jié)流向“X”點(diǎn)的耗散功率（熱量）。理想情況下，在這個測量過程中，接近100％的功耗應(yīng)該從結(jié)流向“X”點(diǎn)。該數(shù)值只取決于熱流路徑的物理屬性，而與功耗大小及該器件所在的電路板尺寸無關(guān)。

請注意，希臘字符“theta（θ）”是以℃/W表示的熱阻。借助維基百科來查證，我們可以看到熱導(dǎo)通路的熱阻無非就是一系列串聯(lián)的電阻，如圖1所示。

圖1：熱導(dǎo)通路的熱阻無非就是一系列串聯(lián)的電阻。

現(xiàn)在我們對通路上的溫升或溫降應(yīng)該有了基本概念。當(dāng)然，也有受到外部環(huán)境影響的情況，例如高環(huán)境溫度、空氣流動或窒塞，甚至周圍器件的發(fā)熱等。然而，這個公式還是可以讓我們了解半導(dǎo)體器件在某些點(diǎn)的溫度，這就可以解釋為什么表面貼裝器件不會直接焊接在印刷電路板（PCB）上。

在電氣分析中，電阻是不具有時變特性的組件。但是，從以上分析我們知道，半導(dǎo)體器件的阻抗是變化的。為了達(dá)到均衡電阻的目的，電氣工程師將電容與電阻并聯(lián)，由此產(chǎn)生指數(shù)曲線以抵消由簡單的數(shù)學(xué)公式計算出的電阻變化。從某種意義上說，我認(rèn)為這是電氣工程師由于學(xué)不好那些煩人的熱力學(xué)課程而對機(jī)械工程師的報復(fù)。

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