半导体元件的热设计基础知识.docx

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1、半导体元件的热设计基础知识目录前言11 .热设计基本内容12 .热设计基本方法23 .热分析基础34 .热分析基本原理35 .热分析研究方法4前言伴随着空间体积的逐渐缩小，以及高功率、高效率的要求日益成为电子设备或装置的发展趋势，使得热设计逐渐成为元器件、电子设备和系统可靠性设计的一项重要的内容，而散热问题也成为制约设备小型化的关键性问题。因此了解热设计的基本内容和方法，将会给设备和系统的整体设计带来至关重要的作用。今天分享下我的硕士论文中的前面一段关于热设计和热分析的理论基础知识，希望能对你有所帮助。1 .热设计基本内容通过采用一些合适的设计方法，使得设备中电子器件的工作温度始终不超过相应的

2、最大安全工作温度，从而达到保证电子设备能够正常可靠运行的目的是热设计工作的基本研究内容。在热设计过程中，通常需要遵循一定的原则：满足相应的设计标准要求、满足产品设备的可靠性要求、与产品的电子结构设计工作同步进行、在考虑相应的设计余量条件下，选择合适经济可靠的冷却散热方式、冷却系统要便于监控和维护以及应考虑产品的经济性指标等。同时，热设计也需要考虑一些主要的因素：如产品的使用环境条件、电子元器件的热特性以及相应的热设计对策等。由于电子设备产品的主要热量来自于一些电子元器件的耗散所产生的热量，因此了解关键元器件的热特性和热设计对策，对整个设备和系统的热设计来说显得尤为重要。下面主要讲述下几种常见的

3、关键元器件的热特性：1）半导体元件：元件的热阻值、最大结晶温度以及元件相应工作参数（如电流、电导率等）与温度的关系变化曲线等都是表征半导体器件的散热特性主要参数。如普通半导体二极管的工作结温最大为150；而对于有一些采用了特殊工艺的功率器件，从使用安全的情况考虑，最大工作结温仍然需要按照150来计算，尽管最高允许工作结温可以达到175。2）电感器：其热特性参数主要与使用的绝缘材料及导体有关。不同型号电感器由于绕组采用的绝缘材料的耐热等级不一样，所以绝缘等级就不一样，因而有必要控制工作环境的温度，并使其低于相应绝缘材料的极限允许工作温度。设计的时候对于电感器的安装位置应尽量远离对热敏感的器件，为

4、了更好地对其进行散热，可以涂布些散热硅脂，并布置专门的导热通道，以及在必要的时候额外的散热装置也可以被采用。3）电阻元件：电阻值及阻值与温度的特性变化曲线等都是表征电阻器的热特性的主要参数。对于大功率电阻器的热设计对策主要为：间距确保最大、使用固定的安装底座和支架及尽量缩短电阻的引线长度。2 .热设计基本方法电子设备的电子结构设计，甚至造型设计工作与电子设备的热设计工作是紧密配合的。在决定产品的热设计方案时，除了应考虑前面提到的原则和因素外，还需要对整个系统的热布局及方案有个前期的总体的规划检讨评价：比如说对于电子设备产品的总体热耗散功耗分析、大功率器件元件的布置方式和方法、电子元器件的最大允

5、许结晶温度或温升条件以及对整体设备的空间外形尺寸范围的控制把握等。只有在前期进行过详细的研究分析工作后，才能确保整体热设计方案的可靠性，并以此来支持后面的热仿真分析工作。热设计工作的基本方法步骤可参考以下几点：1 .明确热设计的目标，主要是考虑高功率器件的最高允许温度，考虑设备的空间大小，结构以及体积等方面的约束。2 .借助以往项目的热设计经验，提供有关新产品热设计的参考意见。3 .在考虑经济性的条件下，选择合适的散热方案并评估成本。4 .基于所选用的冷却技术条件，合理安装与布局元器件。5 .借助热仿真分析工具对新产品的散热方案进行仿真分析和优化改善。6 .同时还应该从可靠安全、抗电磁干扰及可

6、维护修理等方面对方案进行考虑。7 .为了得到最终的热设计解决方案，需要对方案的热性能进行综合的评估。3 .热分析基础热分析在产品的热设计过程中能够帮助验证和评估热设计方案的可行性和可靠性。热分析的重点不仅需要从如何选择合适的电子元器件和如何设计电路出发考虑，还需要从结构散热设计考虑如何降低电子设备的工作温度。传统的热分析首先大多是通过以往的经验计算得出热设计所需的设计参数，其次再通过实际的样品测试及结果来评价热设计方案的正确合理性与否，传统热设计方法的周期从设计到验证分析往往都相对较长，并且由于各种因素的影响，其准确性通常较低。目前通过计算机辅助工程(CAE)技术可以方便快捷地实现对电子设备导

7、热相关参数的计算，并能够得到相关参数的分布云图：如温度和速度等，从而更加快速有效地对产品的热设计方案进行分析验证，并且大幅减少了对热分析等方面的成本投入。4 .热分析基本原理流体力学和传热学这两大学科是进行热分析工作的基本理论基础。另外，热能的传递有以下的规律：过程中能量的转移=过程的动力/过程的阻力从而可以得出热阻的概念：在有温度差的情况下，热阻就是物体对热的阻碍能力的大小。不同的物体热阻一般都不同，热阻是物体本身的一种性质。可以用如下的公式对其进行进一步解释：Rth=(T2-T1P公式表明：热阻数值越小，则说明材料的导热性就越好。因为如果温度差相同，那么物体将传递更多的热能。热阻的单位：开

8、尔文每瓦特(K/W)或摄氏度每瓦特(/W)。5 .热分析研究方法解析式求解数学模型法、实验模拟再现分析法和数值模拟分析法是当前热分析主要的几种研究分析方法。其中数值模拟法中的有限元分析法在公司的应用中比较广泛。它是借助计算机辅助工程技术和Icepak/F1uent软件，或者其他CFD软件,通过计算机程序对流体力学及传热学等相关数学模型的近似解进行求解，并与计算机的图像显示相结合，定量地描述和分析了各个物理量的数值解。所以使用CFD软件进行电子设备产品的散热模拟计算，可以使很多非流体专业的结构工程师和电子工程师进行产品的热仿真分析模拟和优化分析。ICePak是由FIUent公司开发的专业电子设备

9、热仿真分析软件，而FIUent公司是世界上最佳的计算流体动力学软件提供商，ICePak软件已被大量应用于如航空电子和汽车等众多行业。ICePak的热分析优化结果可以为产品的开发提供具有参考指导意义的数据支撑，同时可以缩短产品开发的迭代周期和减少研发成本的投入，最终优化改善电子设备产品的性能。另外，ICePak的求解基本步骤一般有以下几个方面：(1)首先确定被仿真的模型所采取的散热冷却方法；(2)建立散热相关的热仿真分析所需的三维模型，并指定各零部件的材料；(3)设定热仿真模型的一些假设边界条件；(4)输入各器件的功耗，选择计算离散格式及相应的控制方法；(5)对热仿真模型的零部件使用合适的规则划分网格；(6)对上述前处理过的热仿真模型进行相应的数值求解计算并直到判断模型结果收敛；(7)后处理，形成所需的热仿真报告；(8)用户也可以根据热仿真结果，对相关参数进行优化设计，优化产品的热设计方案。简而言之，前期预处理、求解过程和结果后处理可以被简单地归纳概括为有限元分析方法的三个步骤。目前利用热仿真软件对工程实际中的重要芯片温度进行预测，已成为热设计过程中非常重要的环节。