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大功率元件的散热
大功率晶体管是指功率大于l w的晶体管,此时,完全靠管壳及引线不能把热量迅速
散走,需要加专门的散热装置——散热器。对集成电路而言,当热流密度大于o.6w/cm2
时,也需要用散热器,本节以晶体管为讨论对象,其方法和结构适用于集成电路。
图5—22(a)是带散热器的晶体管模型。管壳往往就是晶体管的集电极,管壳安装在
散热器上,为了使管壳与散热器电绝缘,以及提高晶体管与散热器的接触质量,常常在管
壳与散热器之间垫一层对电绝缘,但导热性能好的电绝缘片。图5—22(b)是散热途径方
框图,图中丁s为环境温度。晶体管的耗散功率Pc使集电结产生结温76,集电结的热量
向管完传递,受到阻力为入,称为内热阻,管壳的温度为7c,管壳分两路将热流散到环
境尸路是直接向周围的环境传热,热阻为只I,称为外热阻,该热阻通常很大,因管壳的
面积小,亿宾微电子其向环境的辐射和对流传热很困难;另一路是管壳的底部通过绝缘片传到散热
器,散热器再向周围的环境传热。散热器的温度为7f,从管壳到散热器之间的热阻即为
只2b,它由绝缘片的传导热阻和绝缘片上下两面的两个接触热阻组成。
设计这种产品时要注意下面问题:
.所选用的冷却液,其电气性能应能满足机内元器件之间的电气绝缘要求,其教度
尽量低,以利于液体的自然对流;
.机壳要解决密封问题,灌注冷却液体后,机壳内部耍留有
受热膨胀的要求;
.机壳要有足够的强度;
.元器件的配置要有利于液体的自然对流;
·定的间隙,以适应液体
.产品的维修要方便,对一次性使用的产品,可不考虑这个问题。
②有搅动的液体冷却产品
加搅动的目的是为了加强冷却液体的对流换热,对强度大的液体更为适用。采用这
种冷却方法时,必须考虑下列附加因素:电机的尺寸、转速、搅动杆的叶片数以及杆和叶片
材料与液体的化学相容性等。同时要注意机壳的密封性并保证其强度,还要留有一定的
热膨胀空间。
③直接强迫液体冷却
直接强迫液体冷却系统包括低压泵、管路、热交换器和膨胀箱等。低压泵式冷却液在
系统中循环;膨胀箱可作为液体受热膨胀的补偿及防止系统被蒸汽堵塞之用;热交换器将
受热的液体冷却后由泵送回到储浓箱内。这种系统应注意元器件的排列,以达到最佳冷
却效果。若泵压力较高,则应防止高压液流直接冲向脆弱的电子元器件。
(2)间接液体冷却Atmel
间接液体冷却主要利用的是导热模块。具有高组装密度的多芯片模块(MCM)的热
量,用一般的冷却技术(如风冷)已无法满足要求,特别是对那些大型计算机的高性能做处
理器更是如此。图5—25是IBM 308l计算机中的檄处理器的导热模块结构示意图,每个
导热模块包含多层陶瓷基板、118个芯片、导热活塞、加载弹簧、模块罩、氮气和水冷却板
等,冷却液与发热芯片不直接接触。实验证明,功耗为4w的芯片.当冷却水的入口温度
为24℃时,芯片的表面温度达59℃。
(3)冷却剂
电子产品用的冷却剂其特性主要有以下几个方面。
①冷却剂的物理特性包括导热系数、比热、密度、教度、膨胀系数、表面张力等
②物理特性:使用冷却剂的方便性和安全性,包括适当的沸点和冰点。对密封产品,
要求冷却剂的表面张力低一些。选择尽量高的闽点、憋点和自燃温度,以及尽可能低的易
燃性。
②电气特性;包括介电强度、体积电阻串、介电常数和损耗因素等。
④相容性:与元器件的相容性要好,不产生化学反应,热稳定性好,不易挥发。
⑤经济型:成本要低。
由于传热是一个复杂的过程,涉及的因柬又如此之多
来比较各种冷却剂的冷却效果。
3.电子产品的蒸发冷却
物质从液态变为气态的过程称为汽化。汽化有两种形式;一种是仅在液体自由表面
上进行的汽化.称为蒸发,这种蒸发在各种温度下都能发生;另一种不仅在被面,而且在浓
体内部同时进行的汽化,这种汽化称为跺脚。不论是蒸发还是沸腾,都需要吸收一定的热
量。例如,在一个大气压下,1000g水变成蒸汽要吸收627w的热量(汽化热)。
电子产品的蒸发系统的组成,如图5—26所示。整个系统由发射管、蒸发锅、冷凝器:
水压控制箱、压力连锁开关以及各种管系等主要部件组成。
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