电源设计小贴士 9：估算表面贴装半导体的温升

作者：Robert Kollman
高级应用经理
兼科技委员会资深委员
德州仪器(TI)

过去估算半导体温升十分简单。您只需计算出组件的功耗，然后采用冷却电路电模拟即可确定所需散热片的类型。现在出于对尺寸和成本因素的考虑，人们渴望能够去除散热片，这就使得这一问题复杂化了。贴装在散热增强型封装中的半导体要求电路板能够起到散热片的作用，并提供所有必需的冷却功能。如图 1 所示，热量经过一块金属贴装片和封装流入印刷线路板 (PWB)。然后，热量由侧面流经 PWB 线迹，并通过自然对流经电路板表面扩散到周围的环境中。影响裸片温升的重要因素是 PWB 中的铜含量以及用于对流导热的表面面积。


图1：热量由侧面流经 PWB 线迹，然后从 PWB 表面扩散至周围环境。

半导体产品说明书通常会列出某种 PWB 结构下结点至周围环境的热阻。这就是说，设计人员只需将这种热阻乘以功耗，便可计算出温升情况。但是，如果设计并没有具体的结构，或者如果需要进一步降低热阻，那么就会出现许多问题。

图 2 所示为热流问题的简化电模拟，我们可据此深入分析。IC 电源由电流源表示，而热阻则由电阻表示。在各电压下对该电路求解，其提供了对温度的模拟。从结点至贴装面存在热阻，同时遍布于电路板的横向电阻和电路板表面至周围环境的电阻共同形成一个梯形网络。这种模型假设1）电路板为垂直安装，2）无强制对流或辐射制冷，所有热流均出现在电路板的铜中，3）在电路板两侧几乎没有温差。


图2：热流电气等效简化了温升估算。

图 3 所示为增加 PWB 中的铜含量对提高热阻的影响。将 1.4 mils 铜（双面，半盎司）增加到 8.4 mils（4 层，1.5 盎司），就有可能将热阻提高 3 倍。图中两条曲线：一条表示热流进入电路板、直径为 0.2 英寸的小尺寸封装；另一条表示热流进入电路板、直径为 0.4 英寸的大尺寸封装。这两条曲线均适用于 9 平方英寸的 PWB。这两条曲线均同标称数据紧密相关，同时都有助于估算改变产品说明书电路板结构所产生的影响。但是使用这一数据时需要多加谨慎，其假设 9 平方英寸 PWB 内没有其他功耗，而实际上并非如此。


图3：热流电气等效简化了温升估算。

参考文献

《电源布局考虑因素》，作者：R. Kollman，TI Unitrode 电源设计研讨会手册 SEM1600，标题 4，2004 年 5 月： http://focus.ti.com/docs/trainin ... jhtml?sku=SEM405006

《PowerPAD 散热增强型封装 (SLMA002D)》，作者： Steven Kummerl，德州仪器，2008 年 10 月：http://focus.ti.com/general/docs /techdocsabstract.tsp?abstractName=slma002d

Robert Kollman现任 TI 高级应用经理兼科技委员会的资深委员。他拥有在电源电子领域超过 30 年的工作经验。Robert 毕业于得克萨斯 A&M 大学 (Texas A&M University)，获电子工程理学士学位，后又毕业于南卫理公会大学 (Southern Methodist University)，获电子工程硕士学位。