作者： Robert Kollman，德州儀器 (TI) www.ti.com.cn

過去估算半導(dǎo)體溫升十分簡單。您只需計(jì)算出組件的功耗，然后采用冷卻電路電模擬即可確定所需散熱片的類型。現(xiàn)在出于對(duì)尺寸和成本因素的考慮，人們渴望能夠去除散熱片，這就使得這一問題復(fù)雜化了。貼裝在散熱增強(qiáng)型封裝中的半導(dǎo)體要求電路板能夠起到散熱片的作用，并提供所有必需的冷卻功能。如圖 1 所示，熱量經(jīng)過一塊金屬貼裝片和封裝流入印刷線路板 (PWB)。然后，熱量由側(cè)面流經(jīng) PWB 線跡，并通過自然對(duì)流經(jīng)電路板表面擴(kuò)散到周圍的環(huán)境中。影響裸片溫升的重要因素是 PWB 中的銅含量以及用于對(duì)流導(dǎo)熱的表面面積。

圖 1 熱量由側(cè)面流經(jīng) PWB 線跡，然后從 PWB 表面擴(kuò)散至周圍環(huán)境。

半導(dǎo)體產(chǎn)品說明書通常會(huì)列出某種 PWB 結(jié)構(gòu)下結(jié)點(diǎn)至周圍環(huán)境的熱阻。這就是說，設(shè)計(jì)人員只需將這種熱阻乘以功耗，便可計(jì)算出溫升情況。但是，如果設(shè)計(jì)并沒有具體的結(jié)構(gòu)，或者如果需要進(jìn)一步降低熱阻，那么就會(huì)出現(xiàn)許多問題。

圖 2 所示為熱流問題的簡化電模擬，我們可據(jù)此深入分析。IC 電源由電流源表示，而熱阻則由電阻表示。在各電壓下對(duì)該電路求解，其提供了對(duì)溫度的模擬。從結(jié)點(diǎn)至貼裝面存在熱阻，同時(shí)遍布于電路板的橫向電阻和電路板表面至周圍環(huán)境的電阻共同形成一個(gè)梯形網(wǎng)絡(luò)。這種模型假設(shè)1）電路板為垂直安裝，2）無強(qiáng)制對(duì)流或輻射制冷，所有熱流均出現(xiàn)在電路板的銅中，3）在電路板兩側(cè)幾乎沒有溫差。

圖 2 熱流電氣等效簡化了溫升估算

圖 3 所示為增加 PWB 中的銅含量對(duì)提高熱阻的影響。將 1.4 mils 銅（雙面，半盎司）增加到 8.4 mils（4 層，1.5 盎司），就有可能將熱阻提高 3 倍。圖中兩條曲線：一條表示熱流進(jìn)入電路板、直徑為 0.2 英寸的小尺寸封裝；另一條表示熱流進(jìn)入電路板、直徑為 0.4 英寸的大尺寸封裝。這兩條曲線均適用于 9 平方英寸的 PWB。這兩條曲線均同標(biāo)稱數(shù)據(jù)緊密相關(guān)，同時(shí)都有助于估算改變產(chǎn)品說明書電路板結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的影響。但是使用這一數(shù)據(jù)時(shí)需要多加謹(jǐn)慎，其假設(shè) 9 平方英寸 PWB 內(nèi)沒有其他功耗，而實(shí)際上并非如此。

圖 3 熱流電氣等效簡化了溫升估算

下個(gè)月，我們將討論如何估算瞬態(tài)負(fù)載響應(yīng)，敬請(qǐng)期待。

參考文獻(xiàn)

《電源布局考慮因素》，作者：R. Kollman，TI Unitrode 電源設(shè)計(jì)研討會(huì)手冊(cè) SEM1600，標(biāo)題 4，2004 年 5 月：http://focus.ti.com/docs/training/catalog/events/event.jhtml?sku=SEM405006

《PowerPAD 散熱增強(qiáng)型封裝 (SLMA002D)》，作者： Steven Kummerl，德州儀器，2008 年 10 月：http://focus.ti.com/general/docs/techdocsabstract.tsp?abstractName=slma002d

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Robert Kollman 現(xiàn)任 TI 高級(jí)應(yīng)用經(jīng)理兼科技委員會(huì)的資深委員。他擁有在電源電子領(lǐng)域超過 30 年的工作經(jīng)驗(yàn)，并為電源電子設(shè)計(jì)了從低功耗 (sub-watt) 到超低功耗 (sub-megawatt) 的磁性元件，工作頻率在兆赫茲范圍內(nèi)。Robert 畢業(yè)于得克薩斯 A&M 大學(xué) (Texas A&M University)，獲電子工程理學(xué)士學(xué)位，后又畢業(yè)于南衛(wèi)理公會(huì)大學(xué) (Southern Methodist University)，獲電子工程碩士學(xué)位。