半導體達不到100%的效率,功耗會以熱能形式散發和轉移。由於半導體是靠電能才能工作的元件,散熱無論在性能和產品使用壽命方面都有著重要作用。不管是類比還是數位元件,情況都一樣。開關功耗與頻率有關,隨著半導體和電子產品速度的提升,功耗隨之增加。因此,瞭解元件會產生多少熱能,以及如何有效散熱很有裨益。

在開始討論半導體結溫議題之前,需要先瞭解熱抗和熱阻這兩個概念。熱抗跟時間有關,而熱阻和穩態工作有關。想像一下在電烤爐上為平底鍋加熱的情況,需要一段時間才會熱起來,對不對?半導體結溫也是一樣的道理,而熱量從半導體結散掉也需要一點時間。明白這個原理是避免元件被燒壞的關鍵。

功耗主要是由於同時存在電壓和電流的傳導、開關和瞬態動作所導致。功耗的單位是瓦特(W),電壓乘以電流等於功率(瓦特=伏特×安培)。計算一小段時間的功率,就能得出瞬態熱溫,然後計算出一段時間內的平均值,就可以得到半導體結的穩態溫升數值。

計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)來衡量。使用因數標籤方法,借用由Diodes提出的方法和數學公式,可以得到:

Rth(JX_θ) = (Tj–Tx)/P

其中P是從半導體結流向「X」點的耗散功率(熱量)。理想情況下,在這個測量過程中,接近100%的功耗應該從結流向「X」點。該數值只取決於熱流路徑的物理屬性,而與功耗大小及該元件所在的電路板尺寸無關。

請注意,希臘字元「theta(θ)」是以℃/W表示的熱阻。借助維基百科來查證,可以看到熱導通路的熱阻無非就是一系列串聯的電阻,如圖1所示。

20180426TA01P1 圖1 熱導通路的熱阻無非就是一系列串聯的電阻。(圖片來源:維基百科)

現在我們對通路上的溫升或溫降應該有了基本概念。當然,也有收到外部環境影響的情況,例如高環境溫度、空氣流動或窒塞,甚至周圍元件的發熱等。然而,這個公式還是可以讓我們瞭解半導體元件在某些點的溫度,這就可以解釋為什麼表面黏貼元件不會直接焊接在印刷電路板(PCB)上。

在電氣分析中,電阻是不具有時變特性的元件,但是,從以上分析我們知道,半導體元件的阻抗是變化的。為要達到均衡電阻的目的,電氣工程師將電容與電阻並聯,由此產生指數曲線以抵消由簡單的數學公式計算出的電阻變化。從某種意義上說,我認為這是電氣工程師由於學不好那些煩人的熱力學課程而對機械工程師的報復。

作為散熱設計的開場白和入門篇,本文就講這麼多吧。一如既往,歡迎回饋意見,以激發更多關於發熱/散熱主題的討論。我也提供了一些有價值的參考資料,講述了半導體結溫散熱設計方面的問題。德州儀器(TI)的應用筆記也解釋了封裝、表面黏貼,以及其他一些好東西。另外,來自Diodes、科羅拉多大學(University of Colorado)和Cheggs的參考資料則更深入地涉及了元件物理學方面的知識。

物理學?聽起來不錯的學位,但要拿到可不容易。我很慶幸自己熬過來啦,但現在我的孩子又在遭受化學的煎熬。他想靠汽車設計謀生,不明白為何要學這些沒用的知識呢?這些事總是讓我想起我在大學物理考試中總是排在全班倒數1/3的慘痛經歷。請記住我的經驗!實際問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忘記的東西。

(參考原文: Semiconductor Thermals and Junction Temperature,by Scott Deuty)