對使用半導體元件的電子電路而言,溫度會造成信賴度之降低,尤其是在50以上,每上升10,便造成可靠性減半。此乃因為每次半導體元件發熱和冷卻這種溫度循環熱應力會逐漸累積在接合面和內部接點,終於導致元件故障。由此可知,若此類溫度變化範圍能減少的話,整個電路系統信賴度將可大為改善;使用正確設計的散熱器正是欲達此目標之一重要因素。

  和使用於電子工業所有零件一樣,散熱器(片)亦有特定參數。本文將對諸參數詳細討論並說明實際應用上的意義,文內也配合必要計算以選擇最適合類型。散熱器的主要目的是散發半導體元件內工作時產生之熱量,使最大消耗額定值不會超過。遺憾的是有許多裝配者僅隨意裝上未知效果的金屬片,希望它可勝任工作。然而裝配完成試機後竟發現散熱器使用不當,而剩下空間又不足以改用正確尺寸,希望讀者看過本文後,可以避免這類錯誤並得到較佳系統信賴度。

  所有半導體工作時在接合面產生熱量,此熱量要設法予以疏導,這樣接合面才不會超溫。矽半導體正常最高接合面工作溫度上限是150,鍺半導體則是90。典型矽半導體功率消耗曲線如圖1。圖中所示接合面絕對最高溫度為200,但在此溫度容許功率消耗是0!半導體功率消耗額定值係規定在外殼溫度25,若外殼溫度較高,容許功率消耗值就成線性遞減,一直到200允許之功率消耗值是零。由圖可知,若要以全工率額定值使用該元件,則必須保持外殼在25以下。這裡所謂的溫度指的是工作溫度,而非元件高於使用環境之溫度。在許多應用場合,環境溫度可能高於25,此情況下半導體就絕不可以用全功率工作了!到此已提到兩種溫度,一為絕對最高溫度,另一為高於環境之溫度,任何時刻曉得所提到的是哪一種溫度是很重要的。絕對溫度是指該元件在任何情況,包括儲存期間,絕對不可以超過的溫度上限。而高於環境之溫度係指元件內部因工作產生熱量而造成之溫度上升,此溫度一般係利用散熱器散發到外界空氣。以矽半導體言,絕對最高溫度是200,鍺半導體則是150;千萬不可混淆了絕對最高溫度和最高工作溫度意義之不同。

  在此舉出常用之2N3055的參數為例說明,並考慮此元件應用上的計算,當然這方式也可應用於其他任何元件。有關的參數是熱阻係數(θ),單位是/watt。查2N3055資料手冊,發現接合面到外殼之熱阻係數為1.5/watt,這表示元件每消耗1瓦功率,接合面溫度會比外殼溫度高1.5。我們也須知道外殼到空氣的熱阻係數,但這係數取決於使用之散熱器種類,將在稍後詳加說明。此刻我們先僅考慮實際電晶體外殼到空氣之熱阻係數,換言之,假設元件沒用任何散熱器。雖然外殼到空氣之熱阻係數在資料中並未列出,不過實際值大約25每瓦。表示元件每銷耗1瓦功率會使外殼溫度上升而高於環境空氣溫度25

  現在來計算一個實際例子:圖2為一個使用2N3055為旁通電晶體之穩壓電源供應器基本結構。假設電源供應器規格為13.8伏特(3安培電流)。例如滿載時,集極電壓量得20伏特。我們知道射極電壓固定在13.8伏,因此跨在2N3055集──射極間電壓為兩者之差(6.2伏)。而最大負載電流是3安培,因此元件消耗之功率等於3×6.2=18.6瓦。我們已知外殼到空氣之熱阻值為25每瓦,理論上外殼最終溫度是465(=25×18.6),而接合面溫度會高於外殼1.5×18.6=27.9,亦即接合面最中溫度將高於周圍空氣492.9

  顯然此元件必定在未達此溫度之前就已經燒壞了。誠然,假如我們忽略熱阻係數和溫度規格,元件應該沒有問題才對,畢竟才消耗18.6瓦,而其額定最大功率消耗有115瓦,足足有餘!事實上當我們再看圖1,可發現消耗18.6瓦(最大額定值的百分之16.1)時,外殼溫度不得高於160。因此若要保證元件安全工作於最大額定值下,必須使用散熱器。事實上,若2N3055未加散熱器時欲維持外殼溫度不高於外界溫度100,最大容許功率消耗需限制在4瓦左右。例如外界溫度33,則外殼溫度會達133,而接合面溫度會再高於4×1.5=6,使得接合面最終工作溫度達到139,恰好低於建議之最高工作溫度。

  再看圖1於18.6瓦消耗功率下,外殼溫度必須限制於160以下。現在假定最壞情況下外界溫度為33,把外殼溫度減掉此溫度,得160-33=127。將溫度差除以消耗功率,得127/18.6W=6.83每瓦。

  這是散熱器要維持元件在允許溫度值下所需之熱阻值。另一項要考慮的因素是以何種方式把電晶體和散熱器結合一起。大多數情況下,散熱器係接地電位,必須使用絕緣墊片把電晶體和散熱器絕緣。最常用的為雲母質墊片,加墊片後會增加約0.5每瓦熱阻值。此值須從以上計算值減掉,6.83-0.5=6.33每瓦就是散熱器之最終數值。在計算中假定雲母墊片兩側均塗以散熱矽油或類似物,若光用雲母片,它所增加的熱阻值就為1.5每瓦,而不是0.5每瓦,而我們計算得到之熱阻值變為5.33每瓦而非6.33每瓦。對大功率消耗元件,使用散熱矽油變得很重要。考慮另一情況,消耗功率75瓦,外殼最高容許溫度上限80,若減去外界空氣溫度33,得到47;因而47/75W=0.62每瓦,成為散熱器加墊片之綜合熱阻值。假設我們用兩面塗有散熱矽油墊片(熱阻值為5每瓦)則散熱器熱阻係數要求是0.12每瓦,實在是相當大的散熱器。現在假設雲母墊片未塗散熱矽油,則所增加熱阻值就為1.5每瓦。從0.62每瓦減掉1.5每瓦得到散熱器熱阻值等於負0.88每瓦。顯然負值熱阻係數並不存在!由此可見當我們用到大消耗功率時,墊片種類和如何使用將對最後所需散熱器大小造成很大區別,因為在此時墊片之熱阻值和散熱器熱阻值差不多。在以上例子,塗了散熱矽油雲母墊片的熱阻值竟佔了總熱阻值百分之八十!總熱阻值為個別熱阻值之和,此總熱阻值用於計算式來決定散熱器尺寸:

  Ptot=(Tj max-Ta)/(θj-c+θc-s+θs-a)

  Ptot=總功率, Tj max=接合面最高溫度, Ta=外界空氣溫度, θ=每瓦。

θj-c:接合面到外殼熱阻係數,取決於半導體種類,廠家資料手冊可查得。

θc-s:外殼到散熱器熱阻係數。決定於半導體和散熱器間介面種類、組合情況。

θs-a:散熱器到外界空氣熱阻係數,取決於散熱器種類。

由以上公式衍生的較有用公式為:

  θs-a=(Tj-Ta)/Ptot-(θj-c+θc-s)

典型之θc-s值如下:

  半導體外殼塗散熱矽油直接裝於散熱器:0.1-0.2每瓦。

  半導體配雲母質墊片:0.5每瓦。

  半導體配綠玉墊片:0.2每瓦。

  半導體裝在乾雲母墊片上:1.5每瓦。;所幸一些散熱器製造商以每瓦特功率消耗的上升溫度值標示他們的產品,使設計工作較簡單,只要根據規格來選擇適合的種類即可。

  Redpoint股份有限公司便是這樣的一家公司,早在1959年它就成為歐洲第一家商用散熱器製造公司。在今日,它提供了或許是獨家製造商所能做出式樣最多的散熱器。下面為其中數款,譬如L型規格為51mm長,1.75每瓦;152mm長,1.03每瓦。由這些款式來決定某種特殊需求散熱器,就變得非常容易。

  以原先例子,我們知道最終外殼溫度160所需散熱器(包括墊片)熱阻係數是6.33每瓦。雖然此溫度仍在元件額定值內,我們認為溫度還是太高了。要得到較穩定的工作,最好將溫度限制在大約90。在圖2例子,溫度上升是90-33=57。因此57÷18.6W=3.06每瓦。為散熱器加墊片之熱阻值。減去墊片熱阻值0.5每瓦,得到散熱器熱阻值為2.56每瓦。Redpoint MA型規格是:長51mm,2.35每瓦,正合所需。反算回去得2.35+0.5=2.85每瓦×18.6瓦=53高於外界空氣。因此在外界空氣33下,外殼溫度就是53+33=86。到此我們對散熱器探討較詳細,看來有些複雜。綜上所述可將設計工作整理成幾個基本步驟:

  1.選定所用元件在最壞工作條件下之功率消耗值。

  2.查廠商資料手冊,求出容許外殼溫度。

  3.工作於消耗功率下之容許外殼溫度減去外界可能最高溫度。

  4.將此溫度差除以消耗功率得到散熱器和墊片綜合熱阻每瓦特溫度上升值。

  5.扣掉墊片或其他鎖緊材料的熱阻值,然後選用比這數值稍低些的散熱器。

計算範例:

1.消耗25瓦。

2.容許外殼溫度145

3.145-33=112

4.112÷25W=4.84每瓦

5.4.48-0.5=3.98每瓦,為所需散熱器規格;可選用Redpoint P型 50mm長,規格為3.4每瓦或M型 76mm長,規格為3.2每瓦。

  實際應用上若要達到散熱器額定熱阻值的效果,應該裝有垂直翼片並且流經翼片之空氣不受阻礙;把散熱器裝於機箱內會對散熱效果大打折扣。還又若翼片不是垂直,效率會減少百分之二十。散熱器應塗成黑色,倘能使用陽極處理成黑色更好。沒塗黑之散熱片效果減少百分之十五。假若錯把散熱器裝於密不通風之機箱內則散熱效果可能減至零。記住!儘可能把散熱器裝在最流通處,通常這些地方位於沿機器後方。另外要注意在散熱器底部和機殼或機座間留些間隙,好讓空氣循環對流幫助散熱。

  當然你也可以自己用鋁片來做散熱器,以下詳細說明,同時列出可能之熱阻值。表1舉例了一些平板是散熱片典型熱阻值,元件係裝在散熱片中央。例如16 S.W.G.鋁平板255mm見方具有大約1每瓦熱阻;若是110mm見方則為5每瓦。若將平板如圖3所示彎成翼狀或導管狀,則表格內列舉之熱阻值會酌量減少。另外可像圖4所示加上額外的垂直翼片以增加散熱效果。

  設計了一個簡單試驗,可對任何特殊散熱器的熱阻值作計算。方法是在最初的散熱器上裝上一個適當的高瓦特數電阻器,調整輸入電流和電壓,使之消耗一已知功率,例如25瓦。開始試驗前先測周圍空氣溫度,等元件溫度穩定後再量散熱器溫度。從這溫度減去空氣溫度,所得之值再除以瓦特數,得到之商數就是此散熱器熱阻每瓦值。

  加垂直翼片、塗上黑色等措施對散熱效果之改善,可用上面試驗方法迅速測得。有了幾次經驗後,可使你對任何特殊需求之散熱器大小選擇有概念。請記住,半導體元件外殼最終溫度維持愈低,則其信賴度就愈佳。計算時應考慮線路實際應用時可能遭遇之最壞條件,有時在單一散熱器上會裝了數個元件,這時總功率應是各個元件消耗功率之和,而應考慮的應為這些元件所容許之較低溫度者,這樣才可保護每個元件。

  散熱器種類繁多,由小信號電晶體至風扇冷卻、液體冷卻式都有,而商用散熱器熱阻值範圍由100每瓦至0.01每瓦液冷式種類齊全。當然像0.01每瓦這麼小的熱阻值能用到之機會恐怕不多!(取材自Practical Wireless 7/1983)


轉載音響技術第99期MAR 1984 散熱片的計算與應用/柯浩健

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