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1、电子设备热设计,第二讲 基本理论知识,内容,三种传热方式： 导热 对流 辐射 热阻 元器件发热量确定,导热,气体 气体分子不规则运动时相互碰撞 金属 自由电子的运动 非导电固体 晶格结构的振动 液体 弹性波 公式,对流,流体 相对位移 必有导热 物体表面 公式,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对流。,辐射,电磁波 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,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
2、，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。,元器件最高结温,对于硅器件 塑料封装为125150 金属封装为150200 对于锗器件为7090 当结温较高时（如大于50），结温每降低4050，元器件寿命可提高约一个数量级。 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，并受更换费用限制以及须承受频繁的功率波动，平均结温要求低于60。,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。 热环境按下列条件设定： 冷却剂的种
3、类、温度、压力和速度； 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,热特性 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。 热阻 热量在热流途径上遇到的阻力 内热阻 元器件内部发热部位与表面某部位之间的热阻（例如半导体器件的结构与外壳的之间的热阻） 安装热阻 元器件与安装表面之间的热阻（界面热阻） 热网络 热阻的串联、并联或混联形成的热流路径图,元器件总热阻,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。 塑封元器件、低功耗、成本低：
4、 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,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 slug,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。,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
5、，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。,热阻初步分配分析,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,复杂热流相互作用下，流入各元器件的总热流量为零,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。耗散功率为 如果电压或者电流随时间变化，则耗散功率由平均耗散功率给出：,2.1 半导体集成电路技术基础,CMOS半导体集成电路的
6、基本结构,互补型金属氧化物半导体（CMOS）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态时产生的短路功率占总耗散功率的1030%。,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。,1.2 半
7、导体分立器件的种类及其性能,场效应型三极管(Field Effect Transisitor-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， 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。 场效应型三极管分为2类：结栅场效应晶体管和绝缘栅场效应晶体管。 金属-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。 金属-氧化物-半导体场效应晶体管 (Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transisitor-MOSFET) 按沟道多数载流子的类型,MOSFET分为2种不同沟道类型: N沟道型和P沟 道型。也即N
8、MOS管和PMOS管,面结型场效应管（JunctionFET）,面结型场效应管有三种工作状态：开、关和线性转换。 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 。,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 。,半导体集成电路外形和芯组装配示例 例1.CMOS半导体集成电路,半导体集成电路外形和芯组装配示例 例2 双极型半导体集成电路,导线,连接导线的稳态耗散功率由焦耳
9、定律给出 连接导线电阻,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,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,Package Pins,Hermetic pins Nonhermetic pins,Substrates,Sheet resistivity,电感 电感电路中没有能量损耗，但是，在储能、释能过程中， 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无功功率PQ 电容 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。 电容器不消耗电源能量,只是与电源作周期性能量互换。,冷却方法的选择,温升为40度时，各种冷却方法的热流密度和体积功率密度值 冷却方法可以根据热流密度与温升的要求，按图所示关系进行选择，这种方法适用于温升要求不同的各类设备的冷却。 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。在安装密度较高的设备内部难以满足要求。,冷却方法选择,谢谢！,