散热片的计算与应用

散熱片的計算與應用

對使用半導體元件的電子電路而言,溫度會造成信賴度之降低,尤其是在50℃以上,每上升10℃,便造成可靠性減半。此乃因為每次半導體元件發熱和冷卻這種溫度循環熱應力會逐漸累積在接合面和內部接點,終於導致元件故障。由此可知,若此類溫度變化範圍能減少的話,整個電路系統信賴度將可大為改善;使用正確設計的散熱器正是欲達此目標之一重要因素。

和使用於電子工業所有零件一樣,散熱器(片)亦有特定參數。本文將對諸參數詳細討論並說明實際應用上的意義,文內也配合必要計算以選擇最適合類型。散熱器的主要目的是散發半導體元件內工作時產生之熱量,使最大消耗額定值不會超過。遺憾的是有許多裝配者僅隨意裝上未知效果的金屬片,希望它可勝任工作。然而裝配完成試機後竟發現散熱器使用不當,而剩下空間又不足以改用正確尺寸,希望讀者看過本文後,可以避免這類錯誤並得到較佳系統信賴度。

所有半導體工作時在接合面產生熱量,此熱量要設法予以疏導,這樣接合面才不會超溫。矽半導體正常最高接合面工作溫度上限是150℃,鍺半導體則是90℃。典型矽半導體功率消耗曲線如圖1。圖

中所示接合面絕對最高溫度為200℃,但在此溫度容許功率消耗是0！半導體功率消耗額定值係規定在外殼溫度25℃,若外殼溫度較高,容許功率消耗值就成線性遞減,一直到200℃允許之功率消耗值是零。由圖可知,若要以全工率額定值使用該元件,則必須保持外殼在25℃以下。這裡所謂的溫度指的是工作溫度,而非元件高於使用環境之溫度。在許多應用場合,環境溫度可能高於25℃,此情況下半導體就絕不可以用全功率工作了！到此已提到兩種溫度,一為絕對最高溫度,另一為高於環境之溫度,任何時刻曉得所提到的是哪一種溫度是很重要的。絕對溫度是指該元件在任何情況,包括儲存期間,絕對不可以超過的溫度上限。而高於環境之溫度係指元件內部因工作產生熱量而造成之溫度上升,此溫度一般係利用散熱器散發到外界空氣。以矽半導體言,絕對最高溫度是200℃,鍺半導體則是150℃;千萬不可混淆了絕對最高溫度和最高工作溫度意義之不同。

在此舉出常用之2N3055的參數為例說明,並考慮此元件應用上的計算,當然這方式也可應用於其他任何元件。有關的參數是熱阻係數(θ),單位是℃/watt。查2N3055資料手冊,發現接合面到外殼之熱阻係數為1.5℃/watt,這表示元件每消耗1瓦功率,接合面溫度會比外殼溫度高1.5℃。我們也須知道外殼到空氣的熱阻係數,但這係數取決於使用之散熱器種類,將在稍後詳加說明。此刻我們先僅考慮實際電晶體外殼到空氣之熱阻係數,換言之,假設元件沒用任何散熱器。雖然外殼到空氣之熱阻係數在資料中並未列出,不過實際值大約25℃每瓦。表示元件每銷耗1瓦功率會使外殼溫度上升而高於環境空氣溫度25℃。

現在來計算一個實際例子：圖2為一個使用2N3055為旁通電晶體之穩壓電源供應器基本結構。假設電源供應器規格為13.8伏特(3安培電流)。例如滿載時,集極電壓量得20伏特。我們知道射極電壓固定在13.8伏,因此跨在2N3055集──射極間電壓為兩者之差(6.2伏)。而最大負載電流是3安培,因此元件消耗之功率等於3×6.2=18.6瓦。我們已知外殼到空氣之熱阻值為25℃每瓦,理論上外殼最終溫度是465℃(=25×18.6),而接合面溫度會高於外殼1.5×18.6=27.9℃,亦即接合面最中溫度將高於周圍空氣492.9℃！

顯然此元件必定在未達此溫度之前就已經燒壞了。誠然,假如我們忽略熱阻係數和溫度規格,元件應該沒有問題才對,畢竟才消耗18.6瓦,而其額定最大功率消耗有115瓦,足足有餘！事實上當我們再看圖1,可發現消耗18.6瓦(最大額定值的百分之16.1)時,外殼溫度不得高於160℃。因此若要保證元件安全工作於最大額定值下,必須使用散熱器。事實上,若2N3055未加散熱器時欲維持外殼溫度不高於外界溫度100℃,最大容許功率消耗需限制在4瓦左右。例如外界溫度33℃,則外殼溫度會達133℃,而接合面溫度會再高於4×1.5=6℃,使得接合面最終工作溫度達到139℃,恰好低於建議之最高工作溫度。

再看圖1於18.6瓦消耗功率下,外殼溫度必須限制於160℃以下。現在假定最壞情況下外界溫度為33℃,把外殼溫度減掉此溫度,得160-33=127℃。將溫度差除以消耗功率,得127℃/18.6W=6.83℃每瓦。

這是散熱器要維持元件在允許溫度值下所需之熱阻值。另一項要考慮的因素是以何種方式把電晶體和散熱器結合一起。大多數情況下,散熱器係接地電位,必須使用絕緣墊片把電晶體和散熱器絕緣。最常用的為雲母質墊片,加墊片後會增加約0.5℃每瓦熱阻值。此值須從以上計算值減掉,6.83-0.5=6. 33℃每瓦就是散熱器之最終數值。在計算中假定雲母墊片兩側均塗以散熱矽油或類似物,若光用雲母片,它所增加的熱阻值就為1.5℃每瓦,而不是0.5℃每瓦,而我們計算得到之熱阻值變為5.33℃每瓦而非6.33℃每瓦。對大功率消耗元件,使用散熱矽油變得很重要。考慮另一情況,消耗功率75瓦,外殼最高容許溫度上限80℃,若減去外界空氣溫度33℃,得到47℃;因而47℃/75W=0.62℃每瓦,成為散熱器加墊片之綜合熱阻值。假設我們用兩面塗有散熱矽油墊片(熱阻值為5℃每瓦)則散熱器熱阻係數要求是0.12℃每瓦,實在是相當大的散熱器。現在假設雲母墊片未塗散熱矽油,則所增加熱阻值就為1.5℃每瓦。從0.62℃每瓦減掉1.5℃每瓦得到散熱器熱阻值等於負0.88℃每瓦。顯然負值熱阻係數並不存在！由此可見當我們用到大消耗功率時,墊片種類和如何使用將對最後所需散熱器大小造成很大區別,因為在此時墊片之熱阻值和散熱器熱阻值差不多。在以上例子,塗了散熱矽油雲母墊片的熱阻值竟佔了總熱阻值百分之八十！總熱阻值為個別熱阻值之和,此總熱阻值用於計算式來決定散熱器尺寸：

Ptot=(Tj max-Ta)/(θj-c+θc-s+θs-a)

Ptot=總功率,Tj max=接合面最高溫度,Ｔa=外界空氣溫度,θ=℃每瓦。

θj-c：接合面到外殼熱阻係數,取決於半導體種類,廠家資料手冊可查得。

θc-s：外殼到散熱器熱阻係數。決定於半導體和散熱器間介面種類、組合情況。

θs-a：散熱器到外界空氣熱阻係數,取決於散熱器種類。