半導體器件產(chǎn)生多少熱量以及如何順利散發(fā)熱量

電氣設計僅僅是電子產(chǎn)品的開始。散熱是創(chuàng)建可靠設計的基礎。半導體器件是能量增強型器件，散熱在性能和產(chǎn)品生存中起著重要作用。開關功率損耗取決于頻率。隨著速度的進步，功耗也在增加。因此，有必要知道器件產(chǎn)生多少熱量以及如何順利散發(fā)熱量。

電氣設計只是電子產(chǎn)品的開始，散熱是任何可靠設計都要考慮的重要部分。這篇有關散熱設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。

半導體達不到100％的效率，功耗會以熱能形式散發(fā)和轉移。由于半導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。開關功耗與頻率有關，隨著半導體和電子產(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體結溫議題之前，需要先了解熱抗和熱阻這兩個概念。熱抗跟時間有關，而熱阻跟穩(wěn)態(tài)工作有關。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？半導體結溫也是一樣的道理。而熱量從半導體結散掉也需要一點時間。明白這個原理是避免器件被燒壞的關鍵。

功耗主要是由于同時存在電壓和電流的傳導、開關和瞬態(tài)動作所導致。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，就可以得到半導體結的穩(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。使用因子標簽方法，借用由Diodes公司提出的方法和數(shù)學公式，我們可以得到：

Rth(JX Θ ) = (Tj –Tx) / P

其中P是從半導體結流向“X”點的耗散功率（熱量）。理想情況下，在這個測量過程中，接近100％的功耗應該從結流向“X”點。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。

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該有了基本概念。當然，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體器件在某些點的溫度，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，半導體器件的阻抗是變化的。為了達到均衡電阻的目的，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)學公式計算出的電阻變化。從某種意義上說，我認為這是電氣工程師由于學不好那些煩人的熱力學課程而對機械工程師的報復。

作為散熱設計的開場白和入門篇，本文就講這么多吧。一如既往，歡迎反饋意見，以激發(fā)更多關于發(fā)熱/散熱主題的討論。我也提供了一些有價值的參考資料，講述了半導體結溫散熱設計方面的問題。TI的應用筆記也解釋了封裝、表面貼裝以及其它一些好東西。另外，來自Diodes公司、科羅拉多大學和Cheggs的參考資料則更深入地涉及了器件物理學方面的知識。

物理學？聽起來不錯的學位，但要拿到可不容易。我很慶幸自己熬過來啦，但現(xiàn)在我的孩子又在遭受化學的煎熬。他想靠汽車設計謀生，不明白為何要學這些沒用的知識呢？這些事總是讓我想起我在大學物理考試中總是排在全班倒數(shù)1/3的慘痛經(jīng)歷。請記住我的經(jīng)驗！實際問題的解決者總是選擇去查找答案，而不是硬性記住那些最終會忘記的東西。