電子設(shè)備熱設(shè)計(jì) 第二講課件

電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)第二講基本理論知識(shí)內(nèi)容三種傳熱方式：導(dǎo)熱對(duì)流輻射熱阻元器件發(fā)熱量確定導(dǎo)熱氣體氣體分子不規(guī)則運(yùn)動(dòng)時(shí)相互碰撞金屬自由電子的運(yùn)動(dòng)非導(dǎo)電固體晶格結(jié)構(gòu)的振動(dòng)液體彈性波公式輻射電磁波一般考察與太陽(yáng)、空間環(huán)境間的傳熱時(shí)才考慮輻射傳熱系數(shù)元器件結(jié)溫從廣義上將元器件的有源區(qū)稱為“結(jié)”，而將元器件的有源區(qū)溫度稱為“結(jié)溫”。元器件的有源區(qū)可以是結(jié)型器件的Pn結(jié)區(qū)，場(chǎng)效應(yīng)器件的溝道區(qū)或肖特器件的接觸勢(shì)壘區(qū)，也可以是集成電路的擴(kuò)散電阻或薄膜電阻等。默認(rèn)為芯片上的最高溫度。元器件最高結(jié)溫對(duì)于硅器件塑料封裝為125~150℃金屬封裝為150~200℃對(duì)于鍺器件為70~90℃當(dāng)結(jié)溫較高時(shí)（如大于50℃），結(jié)溫每降低40～50℃，元器件壽命可提高約一個(gè)數(shù)量級(jí)。所以對(duì)于航空航天和軍事領(lǐng)域應(yīng)用的元器件，由于有特別長(zhǎng)壽命或低維護(hù)性要求，并受更換費(fèi)用限制以及須承受頻繁的功率波動(dòng)，平均結(jié)溫要求低于60℃。熱特性設(shè)備或元器件的溫升隨熱環(huán)境變化的特性，包括溫度、壓力和流量分布特征。熱阻熱量在熱流途徑上遇到的阻力內(nèi)熱阻元器件內(nèi)部發(fā)熱部位與表面某部位之間的熱阻（例如半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)與外殼的之間的熱阻）安裝熱阻元器件與安裝表面之間的熱阻（界面熱阻）熱網(wǎng)絡(luò)熱阻的串聯(lián)、并聯(lián)或混聯(lián)形成的熱流路徑圖元器件總熱阻內(nèi)熱阻一般由元器件生產(chǎn)商提供與設(shè)計(jì)和生產(chǎn)方法有關(guān)不是嚴(yán)格意義上的內(nèi)熱阻不受外部散熱翅片或其它散熱方式影響？該值用于預(yù)測(cè)結(jié)點(diǎn)最高溫度，并衡量元器件使用場(chǎng)合和成本。塑封元器件、低功耗、成本低：K/W大功耗器件：K/W貴金屬引線架、陶瓷封裝、金剛石散熱片外熱阻電子設(shè)備熱設(shè)計(jì)工程師可改變的以散熱翅片為例，與翅片材料的導(dǎo)熱系數(shù)、翅片效率、表面面積和表面對(duì)流換熱系數(shù)有關(guān)。熱沉和熱流分配熱流量經(jīng)傳熱途徑至最終的部位，通稱為“熱沉”。它的溫度不隨傳遞到它的熱量大小而變，它相當(dāng)于一個(gè)無(wú)限大的容器，可能是大氣、大地、大體積的水或宇宙，這取決于被冷卻設(shè)備所處的環(huán)境。電子設(shè)備內(nèi)的熱流量以多種形式通過(guò)不同的路徑進(jìn)行傳遞，最后達(dá)到熱沉，使各個(gè)節(jié)點(diǎn)的溫度保持在所要求的數(shù)值范圍內(nèi)。從實(shí)際傳熱觀點(diǎn)而言，熱設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)利用中間散熱器，它們一般都屬于設(shè)備的一部分。它們可以是設(shè)備的底座、外殼或機(jī)柜、冷板、肋片式散熱器或設(shè)備中的空氣、液體等冷卻劑。熱阻初步分配分析熱流分析與元件溫度粗略預(yù)測(cè)電子元器件的溫度和熱流示意圖復(fù)雜熱流相互作用下，流入各元器件的總熱流量為零理論耗散功耗電子器件產(chǎn)生的熱量是其正常工作時(shí)必不可少的副產(chǎn)物。當(dāng)電流流過(guò)半導(dǎo)體或者無(wú)源器件時(shí)，一部分功率就會(huì)以熱能的形式散失掉。耗散功率為如果電壓或者電流隨時(shí)間變化，則耗散功率由平均耗散功率給出：2.1半導(dǎo)體集成電路技術(shù)基礎(chǔ)CMOS半導(dǎo)體集成電路的基本結(jié)構(gòu)

三星公司的800萬(wàn)像素CMOS芯片三星公司的800萬(wàn)像素CMOS芯片支持防抖動(dòng)功能、人臉識(shí)別功能以及現(xiàn)在正在流行的笑臉捕捉功能。此外，該芯片還將具備強(qiáng)大的微距拍攝能力，支持最短1厘米的拍攝距離。三星公司表示，新款的800萬(wàn)像素CMOS感光芯片將極大的提高其在微弱光線下的表現(xiàn)能力，在光線不足的拍攝環(huán)境中，該感光芯片會(huì)強(qiáng)制介入并將ISO數(shù)值提高到1600。1.2半導(dǎo)體分立器件的種類及其性能場(chǎng)效應(yīng)型三極管(FieldEffect

Transisitor---FET)

場(chǎng)效應(yīng)型三極管是利用場(chǎng)效應(yīng)控制電流通道中的多數(shù)載流子密度，以控制溝道電流的半導(dǎo)體器件。場(chǎng)效應(yīng)型三極管也稱作單極晶體管。場(chǎng)效應(yīng)型三極管分為2類：結(jié)柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管和絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管。金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管是應(yīng)用最廣泛的絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管。金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(Metal-Oxide-SemiconductorFieldEffect

Transisitor---MOSFET)按溝道多數(shù)載流子的類型,MOSFET分為2種不同溝道類型:N溝道型和P溝道型。也即NMOS管和PMOS管面結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管（JunctionFET）面結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管有三種工作狀態(tài)：開、關(guān)和線性轉(zhuǎn)換。當(dāng)面結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管處于開狀態(tài)時(shí)，耗散功率為在線性轉(zhuǎn)換和關(guān)狀態(tài)時(shí)，耗散功率為。半導(dǎo)體集成電路外形和芯組裝配示例例1.CMOS半導(dǎo)體集成電路

半導(dǎo)體集成電路外形和芯組裝配示例例2雙極型半導(dǎo)體集成電路

導(dǎo)線連接導(dǎo)線的穩(wěn)態(tài)耗散功率由焦耳定律給出連接導(dǎo)線電阻Ribbons金，寬0.005inch，高0.002inch，長(zhǎng)0.2inch最大熔斷電流10.6A，失效電流7.63A材料單位長(zhǎng)度電阻mohm/0.1inch0.002×0.005金ribbon10PackagePinsHermeticpinsNonhermeticpinsSubstratesSheetresistivity電感電感電路中沒(méi)有能量損耗，但是，在儲(chǔ)能、釋能過(guò)程中，電感與電源之間不斷地進(jìn)行著能量互換。這種能量互換的規(guī)模通常為無(wú)功功率PQ電容由兩個(gè)金屬板極并在其間夾有電絕緣介質(zhì)構(gòu)成的能夠積累電荷、儲(chǔ)存電場(chǎng)能量的元件。電容器不消耗電源能量,只是與電源作周期性能量互換。冷卻方法的選擇溫升為40度時(shí)，各種冷卻方法的熱流密度和體積功率密度值冷卻方法可以根據(jù)熱流密度與溫升