Philips Semiconductors_ Thermal Management
Chapter 7_2: Thermal Considerations for Power Semiconductors
Yi Dao 2006_03_05-15
所有半导体的失效机制都与温度有关。所以结温越低，电路可靠性越高。因此，我们数据给出的结温应不能超过在最恶劣情况下的结温。然而，从Tjmax降额工作温度来更好地增强可靠性总是值得的。结温依赖于器件上的功耗和与器件有关的热阻。这一部分所给出的公式和图表仅作为设计Heatsink的指导。因为heatsink的热阻取决于许多不可预估的参数。包括heatsink上功率管的位置，气流能够自由流动的范围，heatsink各个边的长度比，邻近元件掩蔽（screening effect）的影响以及从这些元件上的热影响。对一个装备来说，确认在最恶劣情况下运行时一些重要的温度是明智的。散热的情况越复杂，确认那些温度就变得越重要。　
Section 7-2: Heat Dissipation
Heat Flow Path： 半导体芯片上产生的热会通过各种途径传到周边。小信号器件通常不需要散热器，热量从junction流向于case紧密相连的mounting base（基板），然后通过对流和幅射散发到周围去（surroundings）。如图1（a）示。然后功率管由于具有较高的功耗所以通常会连接到散热器上。通过接触面的压力热量从case到heatsink，然后heatsink通过对流和辐射散热到周围，或者通过传导散到cooling water.图1(b).一般来说空气冷却常用，图中ambient指的是周围空气。注意如果指的是一个装备内部的空气，在装备内部和外部之间的附加热阻应该被考虑
Section 7-2: Heat Dissipation
Contact Thermal Resistance Rth mb-h：在功率管基板和heatsink之间的热阻与接触面的质量和尺寸，介质，接触压力有关。在散热器上钻孔时要注意避免金属的毛边和扭曲，接触的啮合面应该很光洁。油漆抛光（paint finishes）的正常厚度最多为50um（为防止电解腐蚀），几乎不会影响热阻。功率管的case和散热器表面不可能完美的平坦，所以只可能是一些点接触，剩余的区域有小的气隙。通过使用软的物质来填充气隙，从而降低接触面热阻。正常情况下，用散热的复合物来填充气隙，在功率管正常工作温度下共保留相当的粘性，并且有较高的热传导率。同时这种填充物也能防止接触面上有湿气渗入。heatsinking compounds由a silicone grease loaded with some electrically insulating good thermally conducting powder such as alumina. 当通过自然对流来降温时，接触面的热阻Rth mb-h比起来（Rth j-mb+Rth h-amb）来说是很小的。然而，heatsink热阻Rth h-amb当使用强制风冷或水冷时是很小的，因此，在功率管case和散热器间紧密的热接触是非常重要的。　
Thermal Resistance Calculations: 图1a所示为不用散热器时,在junction和环境的整个热阻. Rthj_amb = Rth j_mb+ Rth mb_amb 然而,功率管一般会加装散热器,因为Rthj_amb一般不会小的足够保持chip温度在所需水平下.图1b所示为当加heatsink时,整个的热阻: Rthj_amb=Rthj_mb+Rthmb_h+Rth h_amb. 注意从晶体管的case到surroundings通过Rthmb_amb直接散发的热损耗相当小.决定heatsink尺寸和材质的第一步是计算最大的heatsink热阻Rth h_amb来保持结温在desired value值以下.