1、散熱片的計(jì)算與應(yīng)用對(duì)使用半導(dǎo)體元件的電子電路而言,溫度會(huì)造成信賴(lài)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?yàn)槊看伟雽?dǎo)體元件發(fā)熱和冷卻這種溫度循環(huán)熱應(yīng)力會(huì)逐漸累積在接合面和內(nèi)部接點(diǎn),終於導(dǎo)致元件故障。由此可知,若此類(lèi)溫度變化範(fàn)圍能減少的話,整個(gè)電路系統(tǒng)信賴(lài)度將可大為改善;使用正確設(shè)計(jì)的散熱器正是欲達(dá)此目標(biāo)之一重要因素。和使用於電子工業(yè)所有零件一樣,散熱器(片)亦有特定參數(shù)。本文將對(duì)諸參數(shù)詳細(xì)討論並說(shuō)明實(shí)際應(yīng)用上的意義,文內(nèi)也配合必要計(jì)算以選擇最適合類(lèi)型。散熱器的主要目的是散發(fā)半導(dǎo)體元件內(nèi)工作時(shí)產(chǎn)生之熱量,使最大消耗額定值不會(huì)超過(guò)。遺憾的是有許多裝配者僅隨意裝上未知效果的金屬

2、片,希望它可勝任工作。然而裝配完成試機(jī)後竟發(fā)現(xiàn)散熱器使用不當(dāng),而剩下空間又不足以改用正確尺寸,希望讀者看過(guò)本文後,可以避免這類(lèi)錯(cuò)誤並得到較佳系統(tǒng)信賴(lài)度。所有半導(dǎo)體工作時(shí)在接合面產(chǎn)生熱量,此熱量要設(shè)法予以疏導(dǎo),這樣接合面才不會(huì)超溫。矽半導(dǎo)體正常最高接合面工作溫度上限是150,鍺半導(dǎo)體則是90。典型矽半導(dǎo)體功率消耗曲線如圖1。圖中所示接合面絕對(duì)最高溫度為200,但在此溫度容許功率消耗是0！半導(dǎo)體功率消耗額定值係規(guī)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

3、度,而非元件高於使用環(huán)境之溫度。在許多應(yīng)用場(chǎng)合,環(huán)境溫度可能高於25,此情況下半導(dǎo)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(duì)最高溫度,另一為高於環(huán)境之溫度,任何時(shí)刻曉得所提到的是哪一種溫度是很重要的。絕對(duì)溫度是指該元件在任何情況,包括儲(chǔ)存期間,絕對(duì)不可以超過(guò)的溫度上限。而高於環(huán)境之溫度係指元件內(nèi)部因工作產(chǎn)生熱量而造成之溫度上升,此溫度一般係利用散熱器散發(fā)到外界空氣。以矽半導(dǎo)體言,絕對(duì)最高溫度是2002 / 11,鍺半導(dǎo)體則是150;千萬(wàn)不可混淆了絕對(duì)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(shù)為例說(shuō)明,並考慮此元件應(yīng)用上的計(jì)算,當(dāng)然這方式也可應(yīng)用於其他任何元

4、件。有關(guān)的參數(shù)是熱阻係數(shù)(),單位是/watt。查2N3055資料手冊(cè),發(fā)現(xiàn)接合面到外殼之熱阻係數(shù)為1.5/watt,這表示元件每消耗1瓦功率,接合面溫度會(huì)比外殼溫度高1.5。我們也須知道外殼到空氣的熱阻係數(shù),但這係數(shù)取決於使用之散熱器種類(lèi),將在稍後詳加說(shuō)明。此刻我們先僅考慮實(shí)際電晶體外殼到空氣之熱阻係數(shù),換言之,假設(shè)元件沒(méi)用任何散熱器。雖然外殼到空氣之熱阻係數(shù)在資料中並未列出,不過(guò)實(shí)際值大約25每瓦。表示元件每銷(xiāo)耗1瓦功率會(huì)使外殼溫度上升而高於環(huán)境空氣溫度25。現(xiàn)在來(lái)計(jì)算一個(gè)實(shí)際例子：圖2為一個(gè)使用2N3055為旁通電晶體之穩(wěn)壓電源供應(yīng)器基本結(jié)構(gòu)。假設(shè)電源供應(yīng)器規(guī)格為13.8伏特(3安培電流

5、)。例如滿(mǎn)載時(shí),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(fù)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(huì)高於外殼1.5×18.6=27.9,亦即接合面最中溫度將高於周?chē)諝?92.9！顯然此元件必定在未達(dá)此溫度之前就已經(jīng)燒壞了。誠(chéng)然,假如我們忽略熱阻係數(shù)和溫度規(guī)格,元件應(yīng)該沒(méi)有問(wèn)題才對(duì),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(shí)上當(dāng)我們?cè)倏磮D1,可

6、發(fā)現(xiàn)消耗18.6瓦(最大額定值的百分之16.1)時(shí),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(shí)上,若2N3055未加散熱器時(shí)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(huì)達(dá)133,而接合面溫度會(huì)再高於4×1.5=6,使得接合面最終工作溫度達(dá)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(xiàn)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

7、元件在允許溫度值下所需之熱阻值。另一項(xiàng)要考慮的因素是以何種方式把電晶體和散熱器結(jié)合一起。大多數(shù)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(yún)母質(zhì)墊片,加墊片後會(huì)增加約0.5每瓦熱阻值。此值須從以上計(jì)算值減掉,6.83-0.5=6.33每瓦就是散熱器之最終數(shù)值。在計(jì)算中假定雲(yún)母墊片兩側(cè)均塗以散熱矽油或類(lèi)似物,若光用雲(yún)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(jì)算得到之熱阻值變?yōu)?.33每瓦而非6.33每瓦。對(duì)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/

8、75W=0.62每瓦,成為散熱器加墊片之綜合熱阻值。假設(shè)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(shù)要求是0.12每瓦,實(shí)在是相當(dāng)大的散熱器。現(xiàn)在假設(shè)雲(yún)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(fù)0.88每瓦。顯然負(fù)值熱阻係數(shù)並不存在！由此可見(jiàn)當(dāng)我們用到大消耗功率時(shí),墊片種類(lèi)和如何使用將對(duì)最後所需散熱器大小造成很大區(qū)別,因?yàn)樵诖藭r(shí)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(yún)母墊片的熱阻值竟佔(zhàn)了總熱阻值百分之八十！總熱阻值為個(gè)別熱阻值之和,此總熱阻值用於計(jì)算式來(lái)決定散熱器尺寸：Ptot=(Tj max-Ta)

9、/(j-c+c-s+s-a)Ptot=總功率,Tj max=接合面最高溫度,a=外界空氣溫度,=每瓦。j-c：接合面到外殼熱阻係數(shù),取決於半導(dǎo)體種類(lèi),廠家資料手冊(cè)可查得。c-s：外殼到散熱器熱阻係數(shù)。決定於半導(dǎo)體和散熱器間介面種類(lèi)、組合情況。s-a：散熱器到外界空氣熱阻係數(shù),取決於散熱器種類(lèi)。由以上公式衍生的較有用公式為：s-a=(Tj-Ta)/Ptot-(j-c+c-s)典型之c-s值如下：半導(dǎo)體外殼塗散熱矽油直接裝於散熱器：0.1-0.2每瓦。半導(dǎo)體配雲(yún)母質(zhì)墊片：0.5每瓦。半導(dǎo)體配綠玉墊片：0.2每瓦。半導(dǎo)體裝在乾雲(yún)母墊片上：1.5每瓦。;所幸一些散熱器製造商以每瓦特功率消耗的上升溫度值

10、標(biāo)示他們的產(chǎn)品,使設(shè)計(jì)工作較簡(jiǎn)單,只要根據(jù)規(guī)格來(lái)選擇適合的種類(lèi)即可。Redpoint股份有限公司便是這樣的一家公司,早在1959年它就成為歐洲第一家商用散熱器製造公司。在今日,它提供了或許是獨(dú)家製造商所能做出式樣最多的散熱器。下面為其中數(shù)款,譬如L型規(guī)格為51mm長(zhǎng),1.75每瓦;152mm長(zhǎng),1.03每瓦。由這些款式來(lái)決定某種特殊需求散熱器,就變得非常容易。以原先例子,我們知道最終外殼溫度160所需散熱器(包括墊片)熱阻係數(shù)是6.33每瓦。雖然此溫度仍在元件額定值內(nèi),我們認(rèn)為溫度還是太高了。要得到較穩(wěn)定的工作,最好將溫度限制在大約90。在圖2例子,溫度上升是90-33=57。因此57

11、7;18.6W=3.06每瓦。為散熱器加墊片之熱阻值。減去墊片熱阻值0.5每瓦,得到散熱器熱阻值為2.56每瓦。Redpoint MA型規(guī)格是：長(zhǎng)51mm,2.35每瓦,正合所需。反算回去得2.35+0.5=2.85每瓦×18.6瓦=53高於外界空氣。因此在外界空氣33下,外殼溫度就是53+33=86。到此我們對(duì)散熱器探討較詳細(xì),看來(lái)有些複雜。綜上所述可將設(shè)計(jì)工作整理成幾個(gè)基本步驟：1.選定所用元件在最壞工作條件下之功率消耗值。2.查廠商資料手冊(cè),求出容許外殼溫度。3.工作於消耗功率下之容許外殼溫度減去外界可能最高溫度。4.將此溫度差除以消耗功率得到散熱器和墊片綜合熱阻每瓦特溫度上升

12、值。5.扣掉墊片或其他鎖緊材料的熱阻值,然後選用比這數(shù)值稍低些的散熱器。計(jì)算範(fàn)例：1.消耗25瓦。2.容許外殼溫度1453.145-33=1124.112÷25W=4.84每瓦5.4.48-0.5=3.98每瓦,為所需散熱器規(guī)格;可選用Redpoint P型 50mm長(zhǎng),規(guī)格為3.4每瓦或M型 76mm長(zhǎng),規(guī)格為3.2每瓦。實(shí)際應(yīng)用上若要達(dá)到散熱器額定熱阻值的效果,應(yīng)該裝有垂直翼片並且流經(jīng)翼片之空氣不受阻礙;把散熱器裝於機(jī)箱內(nèi)會(huì)對(duì)散熱效果大打折扣。還又若翼片不是垂直,效率會(huì)減少百分之二十。散熱器應(yīng)塗成黑色,倘能使用陽(yáng)極處理成黑色更好。沒(méi)塗黑之散熱片效果減少百分之十五。假若錯(cuò)把散熱器裝

13、於密不通風(fēng)之機(jī)箱內(nèi)則散熱效果可能減至零。記住！儘可能把散熱器裝在最流通處,通常這些地方位於沿機(jī)器後方。另外要注意在散熱器底部和機(jī)殼或機(jī)座間留些間隙,好讓空氣循環(huán)對(duì)流幫助散熱。當(dāng)然你也可以自己用鋁片來(lái)做散熱器,以下詳細(xì)說(shuō)明,同時(shí)列出可能之熱阻值。表1舉例了一些平板是散熱片典型熱阻值,元件係裝在散熱片中央。例如16 S.W.G.鋁平板255mm見(jiàn)方具有大約1每瓦熱阻;若是110mm見(jiàn)方則為5每瓦。若將平板如圖3所示彎成翼狀或?qū)Ч軤?則表格內(nèi)列舉之熱阻值會(huì)酌量減少。另外可像圖4所示加上額外的垂直翼片以增加散熱效果。設(shè)計(jì)了一個(gè)簡(jiǎn)單試驗(yàn),可對(duì)任何特殊散熱器的熱阻值作計(jì)算。方法是在最初的散熱器上裝上一個(gè)適當(dāng)?shù)母咄咛財(cái)?shù)電阻器,調(diào)整輸入電流和電壓,使之消耗一已知功率,例如25瓦。開(kāi)始試驗(yàn)前先測(cè)周?chē)諝鉁囟?等元件溫度穩(wěn)定後再量散熱器溫度。從這溫度減去空氣溫度,所得之值再除以瓦特?cái)?shù),得到之商數(shù)就是此散熱器熱阻每瓦值。加垂直翼片、塗上黑色等措施對(duì)散熱效果之改善,可用上面試驗(yàn)方法迅速測(cè)得。有了幾次經(jīng)驗(yàn)後,可使你對(duì)任何特殊需求之散熱器大小選擇有概念。請(qǐng)記住,半導(dǎo)體元件外殼最終溫度維持愈低,則其信賴(lài)度就愈佳。計(jì)算時(shí)應(yīng)考慮線路實(shí)際應(yīng)用時(shí)可能遭遇之最壞條件,有時(shí)在單一散熱器上會(huì)裝了數(shù)個(gè)元件,這時(shí)總功率應(yīng)是各個(gè)元件消耗功率之和,而應(yīng)考