半導(dǎo)體器件產(chǎn)生多少熱量以及如何順利散發(fā)熱量

電氣設(shè)計(jì)僅僅是電子產(chǎn)品的開(kāi)始。散熱是創(chuàng)建可靠設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。半導(dǎo)體器件是能量增強(qiáng)型器件，散熱在性能和產(chǎn)品生存中起著重要作用。開(kāi)關(guān)功率損耗取決于頻率。隨著速度的進(jìn)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(shè)計(jì)只是電子產(chǎn)品的開(kāi)始，散熱是任何可靠設(shè)計(jì)都要考慮的重要部分。這篇有關(guān)散熱設(shè)計(jì)的文章對(duì)老練的工程師來(lái)說(shuō)是溫故知新，對(duì)菜鳥(niǎo)級(jí)工程師來(lái)說(shuō)則是一個(gè)新的概念。

半導(dǎo)體達(dá)不到100％的效率，功耗會(huì)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(wú)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(kāi)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(huì)產(chǎn)生多少熱能以及如何有效散熱是很有裨益的。

我們?cè)陂_(kāi)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(gè)概念。熱抗跟時(shí)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(shí)間才會(huì)熱起來(lái)，對(duì)不對(duì)？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(shí)間。明白這個(gè)原理是避免器件被燒壞的關(guān)鍵。

功耗主要是由于同時(shí)存在電壓和電流的傳導(dǎo)、開(kāi)關(guān)和瞬態(tài)動(dòng)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(jì)算一小段時(shí)間的功率，就能得出瞬態(tài)熱溫。然后計(jì)算出一段時(shí)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(jì)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(lái)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(gè)測(cè)量過(guò)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(wú)關(guān)。

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

現(xiàn)在我們對(duì)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(dòng)或窒塞，甚至周圍器件的發(fā)熱等。然而，這個(gè)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(huì)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(shí)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(jiǎn)單的數(shù)學(xué)公式計(jì)算出的電阻變化。從某種意義上說(shuō)，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(duì)機(jī)械工程師的報(bào)復(fù)。

作為散熱設(shè)計(jì)的開(kāi)場(chǎng)白和入門篇，本文就講這么多吧。一如既往，歡迎反饋意見(jiàn)，以激發(fā)更多關(guān)于發(fā)熱/散熱主題的討論。我也提供了一些有價(jià)值的參考資料，講述了半導(dǎo)體結(jié)溫散熱設(shè)計(jì)方面的問(wèn)題。TI的應(yīng)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(lái)自Diodes公司、科羅拉多大學(xué)和Cheggs的參考資料則更深入地涉及了器件物理學(xué)方面的知識(shí)。

物理學(xué)？聽(tīng)起來(lái)不錯(cuò)的學(xué)位，但要拿到可不容易。我很慶幸自己熬過(guò)來(lái)啦，但現(xiàn)在我的孩子又在遭受化學(xué)的煎熬。他想靠汽車設(shè)計(jì)謀生，不明白為何要學(xué)這些沒(méi)用的知識(shí)呢？這些事總是讓我想起我在大學(xué)物理考試中總是排在全班倒數(shù)1/3的慘痛經(jīng)歷。請(qǐng)記住我的經(jīng)驗(yàn)！實(shí)際問(wèn)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(huì)忘記的東西。