总结

本文是本系列文章的最后总结。在“电子设备中半导体元器件的热设计”系列中,我们介绍了热设计已经进入新时代,应将热设计融入到包括电路设计、电路板布局以及外壳设计在内的整体设计中,另外,还介绍了与仿真工具的运用相关的内容。欢迎借助这些资料重新审视自己的热设计方法,并充分利用仿真工具。下面是本系列所有文章的链接和每篇文章的关键要点。

<电子设备中半导体元器件的热设计>

什么是热设计?

本文的关键要点

・简而言之,热设计旨在使半导体元器件的TJ保持在最大额定值TJMAX范围内。

・如果在设计阶段没有认真对待热设计,那么可能会在试制阶段或投入量产之前出现问题。

・越接近量产,对策所需时间越多、成本也越高,甚至会出现产品交货延迟,导致错失商机的大问题。

・最坏的情况是在市场中才出现问题,从而导致召回和信用问题,因此从根本上讲热设计非常重要。

技术发展趋势的变化和热设计

本文的关键要点

・近年来,“小型化”、“高性能化”、“设计灵活性”已经成为技术发展趋势。

・这些技术发展趋势使产品的发热量增加、散热变难,热设计变得更不容易。

・重新审视现有的热设计评估标准是否符合当前的技术发展趋势也是非常重要的。

热设计的相互了解

本文的关键要点

・除了建立满足现代需求的热设计和评估标准外,对热设计的相互了解对于优化热设计来说是非常必要的。

・另外,必须“认真地对待”热设计。

・通过提高设计品质,可以减少人力并降低成本。

热阻和散热基础知识:什么是热阻?

本文的关键要点

・热阻是表示热量传递难易程度的数值。

・热阻的符号为Rth和θ,单位为℃/W(K/W)。

・可以用与电阻大致相同的思路来考虑热阻。

热阻和散热基础知识:导热和散热路径

本文的关键要点

・热传递主要有三种形式:传导、对流和辐射。

・以安装在印刷电路板上的IC为例,发热源是IC芯片,其热量会传导至封装、引线框架、芯片贴装部位和印刷电路板上。然后,其热量会通过对流和辐射从印刷电路板和IC封装表面传递到大气中。

・只要知道该路径的热阻和IC的功率损耗,就可以根据热欧姆定律来计算TA和TJ之间的差。

・所谓的“热设计”,就是减少从芯片到大气的散热路径中的热阻。

热阻和散热基础知识:传导中的热阻

本文的关键要点

・关于传导中的热阻,其思路与导体的薄层电阻基本相同。

热阻和散热基础知识:对流中的热阻

本文的关键要点

・流体是指气体和液体等流动的物质。

・对流是一种通过接收到热量的流体的移动来传递热量的换热现象。

・自然对流是仅由流体的温差产生的浮力驱动的流体运动。

・强制对流是由风扇和泵体等外力驱动的流体运动。

・对流中的热阻是对流传热系数hm与发热物体的表面积A乘积的倒数。

热阻和散热基础知识:辐射中的热阻

本文的关键要点

・辐射是通过电磁波来传递热量,其机理与通过分子传热的传导和对流的机理不同。

・辐射热阻是辐射传热系数与发热体表面积之积的倒数。

热阻数据:JEDEC标准及热阻测量环境和电路板

本文的关键要点

・热阻数据需要按照标准规范来获取,通常都明确规定了需要遵循的标准。

・在JEDEC标准中,与“热”相关的标准主要有以下两个:
-JESD51系列:包括IC等的封装的“热”相关的大多数标准。
-JESD15系列:对仿真用的热阻模型进行标准化。

・JESD51-2A中规定了热阻测试环境。

・JESD51-3/5/7中规定了用来测试热阻的电路板。

热阻数据:实际的数据示例

本文的关键要点

・IC的技术规格书等资料中通常会提供热阻数据,但内容可能会因IC的类型和制造商而异。

・热阻因实装电路板的条件不同而有很大差异,因此必须确认测试条件。

热阻数据:热阻和热特性参数的定义

本文的关键要点

・热阻和热特性参数在JEDEC标准的JESD51中进行了定义。

・每种热阻和热特性参数均有对应的基本用途,计算时使用相应的热阻和热特性参数进行计算。

热阻数据:估算TJ时涉及到的θJA和ΨJT -其1-

本文的关键要点

・鉴于近年来设备的实际安装条件,一般认为通过θJA进行热设计是比较难的。

・近年来难以统一TA的定义,需要单独定义。

・在安装密度很高的设备中很难实测TA。

・近年来,根据比较容易实测的TT和ΨJT来估算TJ已成为主流方法。

热阻数据:估算TJ时涉及到的θJA和ΨJT -其2-

本文的关键要点

・在已安装于应用产品的状态下,基本上无法通过θJA进行TJ估算。

・ΨJT因安装条件而异,但如果掌握了所使用的电路板和应用产品的状态,则可以用于估算实际使用时的TJ。

TJ的估算:基本计算公式

本文的关键要点

・TJ的估算有两种方法:根据TA和θJA或者根据TT和ΨJT进行估算。

TJ的估算:使用θJA的计算示例

本文的关键要点

・通过热阻θJA来估算TJ时,需要功耗P和TA的值。

・根据公式求出TJ并确认它的值在TJMAX以内。

TJ的估算:使用ΨJT的计算示例

本文的关键要点

・通过热阻ΨJT来估算TJ时,需要功耗P和实际使用状态下IC封装顶部中心温度TT的值。

・TT需要实际测量。

・根据公式求出TJ并确认它的值在TJMAX以内。

TJ的估算:使用瞬态热阻的计算示例

本文的关键要点

・当预计会出现瞬时功耗增加的情况时,需要计算出瞬态峰值TJ。

・在求瞬态温升时,热阻值使用瞬态热阻值。

・需要确认瞬态峰值TJ是否超过TJ MAX。

表面贴装的散热面积估算和注意事项

本文的关键要点

・如果将会发热的IC安装得过于密集,就会发生热干扰并导致温度升高。

・根据所容许的最大TJ求得所需的θJA,并估算其所需的散热面积。

表面温度测量:热电偶的种类

本文的关键要点

・在测量已安装的半导体元器件的表面温度时,通常多使用热电偶。

・在本文中使用一等标准K型热电偶和AWG38导线。

表面温度测量:热电偶的固定方法

本文的关键要点

・将热电偶的测量端(连接端)固定到IC等封装上的方法有两种:①使用聚酰亚胺(PI)胶带等;②使用环氧树脂粘结剂。

・JEDEC推荐使用环氧树脂粘结剂的方法。

・除了热电偶测量端的固定方法外,导线的处理也会影响到测量结果,因此应沿着发热源贴合敷设导线。

表面温度测量:热电偶的安装位置

本文的关键要点

・要想准确测量TT,热电偶的安装位置也很重要。

・即使有毫米级的偏差,也会造成温度差异。

表面温度测量:热电偶测量端的处理

本文的关键要点

・使用热电偶时,请勿将热电偶的测量端扭曲使用。

・对接头部位进行焊接,可以更大程度地减少热电偶的散热量。

表面温度测量:热电偶的影响

本文的关键要点

・要测量表面温度的元器件的封装越小,热电偶的散热所带来的影响越大,这一点需要注意。

热设计文章锦集
手动焊接时的注意要点

本文的关键要点

・将表面贴装产品手动焊接到评估板上时,热阻可能会升高。

・原则上,在需要进行热相关的评估时,表面贴装产品应通过回流焊的方式安装在电路板上。

铜箔厚度的影响

本文的关键要点

・电路板层数越多,热阻受铜箔厚度的影响越大。

电路板层数与热阻

本文的关键要点

・对于电路板层数与热阻的关系而言,层数越多,热阻越低。

・过孔可以有效降低热阻,而且设置过孔比增加电路板层数更有效。

过孔要靠近发热源

本文的关键要点

・将过孔设置在尽可能靠近发热源的位置,降低热阻的效果最好。

・如果将过孔设置在周边其他位置而不是发热源的正下方,将会使散热路径中多出横向(水平)路径,从而导致热阻上升。

安装位置的影响

本文的关键要点

・即使电路板的层数相同,热阻也会因IC的安装位置而异。

・如果将IC安装在电路板边缘,会导致有效散热面积大大减少。

电路板方向的影响

本文的关键要点

・在自然空冷环境下,热阻会因电路板是水平还是垂直而异。

・当电路板垂直放置时,对流传热会增加,热阻会降低。

未来的热仿真

本文的关键要点

・为了缩短从设计到量产的时间,越来越多的企业会将热设计工作前置,在前期设计中引入热设计。

・高精度的热仿真是在前期设计阶段引入热设计的关键。

相关文章

  1. TD1_16_f04

    表面温度测量:热电偶测量端的处理

  2. TD1_16_f03

    表面温度测量:热电偶的安装位置

  3. TD1_16_f02

    表面温度测量:热电偶的固定方法

  4. TD1_16_f01

    表面温度测量:热电偶的种类

  5. TD1-10_f2

    热阻数据:估算TJ时涉及到的θJA和ΨJT -其2-

  6. TD1-9_f3

    热阻数据: 估算TJ时涉及到的θJA和ΨJT -其1-

  7. 热阻数据:热阻和热特性参数的定义

  8. 热阻数据:实际的数据示例

  9. 热阻数据:JEDEC标准及热阻测量环境和电路板

TECH INFO

  • Sugiken老师的电机驱动器课堂
  • 重点必看
  • 技术分享
  • Arduino入门指南

基础知识

  • Si功率元器件
  • IGBT功率元器件
  • 热设计
  • 电路仿真
  • 开关噪声-EMC
  • AC/DC
  • DC/DC
  • 电机
  • 传递函数

工程技巧


Sugiken老师的电机驱动器课堂

PICK UP

PAGE TOP