电子设备热设计第二讲.ppt

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1、Copyright 2008 BeiHang University电子设备热设计电子设备热设计第二讲 基本理论知识Copyright 2008 BeiHang University换热器内容内容三种传热方式：导热对流辐射热阻元器件发热量确定Copyright 2008 BeiHang University换热器导热导热气体气体气体分子不规则运动时相互碰撞气体分子不规则运动时相互碰撞金属金属自由电子的运动自由电子的运动非导电固体非导电固体晶格结构的振动晶格结构的振动液体液体弹性波弹性波公式公式Copyright 2008 BeiHang University换热器对流对流流体流体相对位移相对位移

2、必有导热必有导热物体表面物体表面公式公式指流体各部分之间发生相对位移时所引指流体各部分之间发生相对位移时所引起的热量传递过程。对流仅发生在流体起的热量传递过程。对流仅发生在流体中，且必然伴随着导热现象。流体流过中，且必然伴随着导热现象。流体流过某物体表面时所发生的热交换过程称为某物体表面时所发生的热交换过程称为对流。对流。Copyright 2008 BeiHang University换热器辐射辐射电磁波电磁波一般考察与太阳、空间环境间的传热时才考虑一般考察与太阳、空间环境间的传热时才考虑辐射传热系数辐射传热系数Copyright 2008 BeiHang University换热器元器件结

3、温元器件结温从广义上将元器件的有源区称为“结”，而将元器件的有源区温度称为“结温”。元器件的有源区可以是结型器件的Pn结区，场效应器件的沟道区或肖特器件的接触势垒区，也可以是集成电路的扩散电阻或薄膜电阻等。默认为芯片上的最高温度。Copyright 2008 BeiHang University换热器元器件最高结温元器件最高结温对于硅器件对于硅器件塑料封装为塑料封装为125150金属封装为金属封装为150200对于锗器件为对于锗器件为7090当结温较高时（如大于当结温较高时（如大于5050），结温每降低），结温每降低40405050，元器件寿命可提高约一个数量级。，元器件寿命可提高约一个数量级

4、。所以对于航空航天和军事领域应用的元器件，由于所以对于航空航天和军事领域应用的元器件，由于有特别长寿命或低维护性要求，并受更换费用限制有特别长寿命或低维护性要求，并受更换费用限制以及须承受频繁的功率波动，平均结温要求低于以及须承受频繁的功率波动，平均结温要求低于6060。Copyright 2008 BeiHang University换热器热环境热环境元器件的环境温度是指元器件工作时周围介质的温元器件的环境温度是指元器件工作时周围介质的温度。对安装密度高的元器件的环境温度只考虑其附度。对安装密度高的元器件的环境温度只考虑其附近的对流换热量，而不包括辐射换热和导热。近的对流换热量，而不包括辐射

5、换热和导热。热环境按下列条件设定：热环境按下列条件设定：冷却剂的种类、温度、压力和速度；冷却剂的种类、温度、压力和速度；设备的表面温度、性质和黑度设备的表面温度、性质和黑度电子元器件和设备周围的传热途径电子元器件和设备周围的传热途径Copyright 2008 BeiHang University换热器热特性热特性设备或元器件的温升随热环境变化的特性，包括温设备或元器件的温升随热环境变化的特性，包括温度、压力和流量分布特征。度、压力和流量分布特征。热阻热阻热量在热流途径上遇到的阻力热量在热流途径上遇到的阻力内热阻内热阻元器件内部发热部位与表面某部位之间的热阻（例元器件内部发热部位与表面某部位之

6、间的热阻（例如半导体器件的结构与外壳的之间的热阻）如半导体器件的结构与外壳的之间的热阻）安装热阻安装热阻元器件与安装表面之间的热阻（界面热阻）元器件与安装表面之间的热阻（界面热阻）热网络热网络热阻的串联、并联或混联形成的热流路径图热阻的串联、并联或混联形成的热流路径图Copyright 2008 BeiHang University换热器元器件总热阻元器件总热阻Copyright 2008 BeiHang University换热器内热阻内热阻一般由元器件生产商提供与设计和生产方法有关不是严格意义上的内热阻不受外部散热翅片或其它散热方式影响？该值用于预测结点最高温度，并衡量元器件使用场合和成本

7、。塑封元器件、低功耗、成本低：K/W大功耗器件：K/W贵金属引线架、陶瓷封装、金刚石散热片Copyright 2008 BeiHang University换热器表面热阻表面热阻元件封装上表面与散热翅片下表面间隙间的导热接触热阻无法准确预测，即使最准确的实验测量也会有20的误差导热脂、导热片施加压力Copper slugCopyright 2008 BeiHang University换热器外热阻外热阻电子设备热设计工程师可改变的以散热翅片为例，与翅片材料的导热系数、翅片效率、表面面积和表面对流换热系数有关。Copyright 2008 BeiHang University换热器热沉和热流分配

8、热沉和热流分配热流量经传热途径至最终的部位，通称为“热沉”。它的温度不随传递到它的热量大小而变，它相当于一个无限大的容器，可能是大气、大地、大体积的水或宇宙，这取决于被冷却设备所处的环境。电子设备内的热流量以多种形式通过不同的路径进行传递，最后达到热沉，使各个节点的温度保持在所要求的数值范围内。从实际传热观点而言，热设计时应利用中间散热器，它们一般都属于设备的一部分。它们可以是设备的底座、外壳或机柜、冷板、肋片式散热器或设备中的空气、液体等冷却剂。Copyright 2008 BeiHang University换热器热阻初步分配分析热阻初步分配分析Copyright 2008 BeiHang

9、 University换热器Copyright 2008 BeiHang University换热器热流分析与元件温度粗略预测热流分析与元件温度粗略预测电子元器件的温度和热流示意图电子元器件的温度和热流示意图复杂热流相互作用下，流入各元器件的总热流量为零复杂热流相互作用下，流入各元器件的总热流量为零Copyright 2008 BeiHang University换热器理论耗散功耗理论耗散功耗电子器件产生的热量是其正常工作时必不可少的副电子器件产生的热量是其正常工作时必不可少的副产物。当电流流过半导体或者无源器件时，一部分产物。当电流流过半导体或者无源器件时，一部分功率就会以热能的形式散失掉。

10、耗散功率为功率就会以热能的形式散失掉。耗散功率为如果电压或者电流随时间变化，则耗散功率由平均如果电压或者电流随时间变化，则耗散功率由平均耗散功率给出：耗散功率给出：Copyright 2008 BeiHang University换热器2.1 半导体集成电路技术基础 CMOS半导体集成电路的基本结构半导体集成电路的基本结构 Copyright 2008 BeiHang University换热器互补型金属氧化物半导体（互补型金属氧化物半导体（CMOS）器件）器件 CMOS器件的耗散功率是频率的一阶函数和器件几何尺寸的二阶函数。CMOS器件的转换功率占总耗散功率的7090%。晶体管门电路在转换状

11、态时产生的短路功率占总耗散功率的1030%。Copyright 2008 BeiHang University换热器三星公司的800万像素CMOS芯片 三星公司的800万像素CMOS芯片支持防抖动功能、人脸识别功能以及现在正在流行的笑脸捕捉功能。此外，该芯片还将具备强大的微距拍摄能力，支持最短1厘米的拍摄距离。三星公司表示，新款的800万像素CMOS感光芯片将极大的提高其在微弱光线下的表现能力，在光线不足的拍摄环境中，该感光芯片会强制介入并将ISO数值提高到1600。Copyright 2008 BeiHang University换热器1.2 半导体分立器件的种类及其性能场效应型三极管场效应

12、型三极管场效应型三极管场效应型三极管(Field EffectField Effect Transisitor-FETTransisitor-FET)场效应型三极管是利用场效应控制电流通道中的多数载流子密度场效应型三极管是利用场效应控制电流通道中的多数载流子密度场效应型三极管是利用场效应控制电流通道中的多数载流子密度场效应型三极管是利用场效应控制电流通道中的多数载流子密度，以控制沟道电流的半导体器件以控制沟道电流的半导体器件以控制沟道电流的半导体器件以控制沟道电流的半导体器件。场效应型三极管也称作单极晶体管场效应型三极管也称作单极晶体管场效应型三极管也称作单极晶体管场效应型三极管也称作单极晶体

13、管。场效应型三极管分为场效应型三极管分为场效应型三极管分为场效应型三极管分为2 2 2 2类类类类：结栅场效应晶体管和绝缘栅场效应晶体管结栅场效应晶体管和绝缘栅场效应晶体管结栅场效应晶体管和绝缘栅场效应晶体管结栅场效应晶体管和绝缘栅场效应晶体管。金属金属金属金属-氧化物氧化物氧化物氧化物-半导体场效应晶体管是应用最广泛的绝缘栅场效应晶体管半导体场效应晶体管是应用最广泛的绝缘栅场效应晶体管半导体场效应晶体管是应用最广泛的绝缘栅场效应晶体管半导体场效应晶体管是应用最广泛的绝缘栅场效应晶体管。金属金属金属金属-氧化物氧化物氧化物氧化物-半导体场效应晶体管半导体场效应晶体管半导体场效应晶体管半导体场效

14、应晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field EffectMetal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transisitor-MOSFETTransisitor-MOSFET)按沟道多数载流子的类型按沟道多数载流子的类型按沟道多数载流子的类型按沟道多数载流子的类型,MOSFETMOSFET分为分为分为分为2 2 2 2种不同沟道类型种不同沟道类型种不同沟道类型种不同沟道类型:N N N N沟道型和沟道型和沟道型和沟道型和P P P P沟沟沟沟道型。也即道型。也即道型。也即道型。也即NMOSNMOS管和管和管和管和PMOSPMOS管管

15、管管Copyright 2008 BeiHang University换热器面结型场效应管（面结型场效应管（JunctionFET）面结型场效应管有三种工作状态：开、关和线性转面结型场效应管有三种工作状态：开、关和线性转换。换。当面结型场效应管处于开状态时，耗散功率为当面结型场效应管处于开状态时，耗散功率为 在线性转换和关状态时，耗散功率为在线性转换和关状态时，耗散功率为 。Copyright 2008 BeiHang University换热器功率型金属氧化物半导体场效应晶体管功率型金属氧化物半导体场效应晶体管（Power MOSFET）器件接通时的传导损失 反向二极管传导损失器件处于关断状

16、态时漏极-源极泄漏电流引起的功率损失栅结构的耗散功率转换操作的功率损失当器件处于线性工作范围时，、和 都等于 。Copyright 2008 BeiHang University换热器半导体集成电路外形和芯组装配示例半导体集成电路外形和芯组装配示例例例1.1.CMOS半导体集成电路半导体集成电路 Copyright 2008 BeiHang University换热器半导体集成电路外形和芯组装配示例半导体集成电路外形和芯组装配示例例例2 2 双极型双极型半导体集成电路半导体集成电路 Copyright 2008 BeiHang University换热器导线导线 连接导线的稳态耗散功率由焦耳定

17、律给出 连接导线电阻 Copyright 2008 BeiHang University换热器Wire bond金或铝，直径0.001 inch，长0.1 inch最大熔断电流0.9 A，取失效电流0.65 A材料电阻率 mohm-cm温度系数 ppm/铝2.833400金2.443400Copyright 2008 BeiHang University换热器Ribbons金，宽0.005 inch，高 0.002 inch，长0.2 inch最大熔断电流10.6 A，失效电流7.63 A材料单位长度电阻 mohm/0.1inch0.0020.005金ribbon10Copyright 200

18、8 BeiHang University换热器Package PinsHermetic pinsNonhermetic pinsCopyright 2008 BeiHang University换热器SubstratesSheet resistivityCopyright 2008 BeiHang University换热器电感电感电感电路中没有能量损耗，但是，在储能、释电感电路中没有能量损耗，但是，在储能、释能过程中，能过程中，电感与电源之间不断地进行着能量互换。这种电感与电源之间不断地进行着能量互换。这种能量互换的规模通常为能量互换的规模通常为无功功率无功功率PQPQ电容电容由两个金属板极

19、并在其间夹有电绝缘介质构成由两个金属板极并在其间夹有电绝缘介质构成的能够积累电荷、储存电场能量的元件。的能够积累电荷、储存电场能量的元件。电容器不消耗电源能量电容器不消耗电源能量,只是与电源作周期性只是与电源作周期性能量互换。能量互换。Copyright 2008 BeiHang University换热器冷却方法的选择冷却方法的选择温升为温升为4040度时，各种冷却方法的热流密度和体积功度时，各种冷却方法的热流密度和体积功率密度值率密度值冷却方法可以根据热流密度与温升的要求，按图所冷却方法可以根据热流密度与温升的要求，按图所示关系进行选择，这种方法适用于温升要求不同的示关系进行选择，这种方法

20、适用于温升要求不同的各类设备的冷却。各类设备的冷却。利用金属导热是最基本的传热方法，其热路容易控利用金属导热是最基本的传热方法，其热路容易控制。而辐射换热则需要比较高的温差，且传热路径制。而辐射换热则需要比较高的温差，且传热路径不易控制。对流换热需要较大的面积。在安装密度不易控制。对流换热需要较大的面积。在安装密度较高的设备内部难以满足要求。较高的设备内部难以满足要求。Copyright 2008 BeiHang University换热器冷却方法选择冷却方法选择Copyright 2008 BeiHang University换热器Copyright 2008 BeiHang University换热器谢谢！