表贴功率管的散热技术

1、表贴功率管的散热技术尤黎钢（成都天奥电子有限公司，四川成都610036）摘 要：功率管的散热设计是提高系统性能的一个重要方面。基于此， 通过分析和推导，介绍了表贴功率管的散热机理和几种不同的高效散热方式及应 用范围。关键词：表贴功率管；散热技术；热阻；热设计一、引言随着科技的不断进步，人们要求功率转换器的输出功率不断提高，同时又 希望它的尺寸能尽量减小，这就对功率转换器的效率和散热问题提出了更高的要 求。随着设备工作频率的增加，扼流圈的直流电阻以及MOSFET管转换器的开关损 耗会增加，使功率器件的效率降低。另外，设计时还要考虑整个热量系统的要求， 单独对功率器件的热设计做得再好如果与整个系统

2、的热设计不匹配也是失败的 设计。因此选择更小封装的功率转换器和优化系统中功率管的散热设计就显得十 分重要。首先是选择器件。选择功率器件的原则是要尽量选择低阻抗高效率的器 件，这样就会为整个系统提供尽量大的热设计裕度。低阻抗的表面贴装MOSFET 管是一种较好的选择，它可以提供高效的输出功率、简便的安装和更有效的利用 空间，还可以采用更多形式的散热方法。因此功率转换器件可以选择采用低阻抗 的表面贴装功率转换器。SO-8型封装的功率管（图1）就是一种。要达到输出更大功率的目的，一方面是选择合适的功率管，另一方面就 是进行合理的热设计。以下就小封装的MOSFET功率管进行一些散热的分析。二、功率管的

3、散热途径对于SO-8型封装的功率管来说，其热损耗的传递主要有2个途径，一个是它的漏极管脚，另一个是它的封装外壳，见图2和图3。在第一种热传递途径中，虽然PCB板的基材是绝热材料，但覆在印制板 表面的铜箔可以作为表贴MOSFET管的散热器件。这里整个热量系统就是贴装的 MOSFET管的封装和PCB印制板。功耗产生的热量由MOSFET管的基片上通过它的 漏极引脚到达PCB板上，再利用印制板上的铜箔散入周围环境中。另外一条途径 是功率的耗散热量由基片经功率管封装外壳直接散到周围环境中去。这里热量系 统包括MOSFET管的外壳封装和与之接触的金属散热器件。这条热途径也开始于 MOSFET管的基片上，通

4、过外封装壳传递到散热器件上再散到周围环境中去。无论是通过什么样的传播途径，由功率管基片层上产生的功耗热量在通 过不同的途径传到围介质时都将会遇到各种阻碍，产生温降，即所谓“热阻”。 这里可以利用欧姆定律建立一个SO-8封装的MOSFET管的热阻等效热路，如图4 所示。等效热路图中T为功率管的工作结温，T为环境温度，Tl为漏极引脚的温 度，T为封装外壳的温度，P为功率损耗，R为芯功率管基片层到漏极的热阻，R为漏极到周围环境的热阻，R为功率管基片层到封装外壳的热阻，R 为LA封装外壳到周围环境的热阻。CA热阻是影响功率管工作结温和输出功率的一个重要因素，而功率管的工 作结温又是整个热系统正常工作的

5、关键指标。我们热设计的工作就是找到影响热 阻的各种因素并想办法利用这些因素来降低热阻值，提高传热效率和输出功率。由图4可以看到，功率管经漏极管脚到周围环境这条途径中由功耗产生 的热量可通过功率管的漏极引脚散到印制板的铜箔上，再由印制板散到周围的环 境中去。利用这条散热途径进行热设计的主要问题是确定功率管基片层由漏极管 脚到外部环境的热阻R。我们看到，这个热阻是由2部分组成的，即R =R +R , 其中基片层到漏极管脚的热阻R对于用户来说是相对较确定的，因为它基本和 外界无关，主要由封装的材料决定，因此可由功率管制造商精确的计算出来。而 需要设计者确定的因素就是由漏极管脚到外部环境的热阻R，可以

6、通过热设计， 使功率管的管脚和与之接触的散热介质或散热器件到周围环境的热阻R尽量降 低，以增加散热系统的可靠性和输出更大的功率。 A另外一条散热途径主要是确定功率管基片层由封装外壳到外部环境的热 阻R 。同样，在基片层到封装外壳的热阻R相对确定的情况下，我们需要通 过设计来降低封装外壳和与之接触的散热介质或散热器件到周围环境的热阻R ，以输出更大的功率。三：利用PCB板的热设计首先看第一条途径。要想使功率管输出更大的功率，整个系统的效率达 到最佳，首先要仔细选择印制板并仔细规划排布印制板。一般来说，如采用印制 板途径散热，最好采用的是4层或6层的FR-4型印制板。因为对于4层板来说， 除了两面

7、的布线层，内部还有2层功率和地线层，6层板再加2个信号层，这些 印制板层上的铜箔都是可以传热的散热介质。下面以4层板为例说明，见图5。蚓5侧眼阪的姑竹播途控由于热量的传递是通过铜箔，印制板上的铜箔使印制板的热阻降低，这 就使热量很容易由管脚散到各层铜箔上，并由印制板散到周围环境中去。影响印 制板热阻的主要因素就是铜箔的面积。随着印制板面积的增加，铜箔的面积也在 增加，印制板的热阻值就会相应地降低。如图6所示。肪十於讹嫡供站而相Me 图6期帝面楙与功*仲世团的关系这里所需要确定的是由漏极管脚到外部环境的热阻R，而R又分为2 个部分：管脚到印制板铜箔的热阻RLB和印制板铜箔到周围环境的热阻R :J

8、BA队=犬5 +心1，I、对于热阻R 我们可以用测量的方法得到较精确的值。方法是把功率管贴覆 在很大的一块铜箔上（相对于功率管来说类似于一个无穷大的散热器），功率管 总的功耗在指定的时间内完成，测量基片和漏级、源极的温度。由于贴覆在一块 类似无穷大的散热器上，可以认为漏极和原极的温度是一样的。器件的热量特性 是不受底层材料的影响的，这样利用导热方程就可以计算出热阻R 的值了。第二个热阻R是指印制板到周围环境的热阻。传到印制板上的热量与印 制板经空气散出的热量是基本相同的。工(2)（传到印制板的热量）（通过空气的散热）其中，k为印制板热传导率；土为空气热传导率；Ta为环境温度。 改变坐标，将方程

9、写为双曲线贝赛尔方程：式中r为功率管中心到印制板上任意一点的半径距离。求解T(r):T（r） 二 -%（时 + -式中Ko为积分后的常数；=盘泸it是在功率开始时引进的参也I布热玳的有效范归内这个近似值于&取代但后：这里的T （r）就是印制板在整个热系统中的温度，同时我们可以得到印制板上相邻或相对的管脚之间的热阻方程:将各环节的热阻值相加就得到印制板总的热阻:其中Rba就是印制板的热阻，fp代表管脚的等价半径，sp代表相邻的插针间的 BA 间距，acr代表插针和他相对的一边之间的距离。上相邻或相对的管脚之间的热阻方程:将各环节的热阻值相加就得到印制板总的热阻:这个热阻公式应用在4层印制板中，如

10、采用6层或更多层数的印制板， 也可以采用同样的计算方法增加热阻因素即可。公式（7）解决的是印制板上只有一个功率管的情况，实际上在应用中 一般不只使用一个功率管，这就要求把其他功率管的相互影响考虑进去。我们可 以利用以下公式将这个因素考虑进去：二（偷E %）根据以匕的汁h公.式找件I就可以确定助率肾的.作结温:，=q *昭* 3七由此可以根据功率管的结温来进行功率管和系统的热设计，但是还有些问题在 设计时需要注意。第一就是如果因为设计或其他原因功率管不能布置在印制板的 中心位置而是在印制板的边缘或靠近边缘的位置，这样功率管两边的管脚温度温 度就会有差异，计算出来的r 会大幅增加。但是如果印制板的

11、边缘导热良好， 热阻值就会大大降低，所以如果功率管不能放在印制板的中心位置就必须在印制 板的边缘增加导热材料，或者靠近机械加工的金属支撑件以提高热传导来降低热 阻。第二是由于印制线宽度也会对热阻产生影响，所以将MOSFET管的管脚与较 宽的印制线和较大的铜箔的面积相连可以使热量向内层的铜箔转移，这样可以减 少由管脚到内层铜箔之间的热阻。第三就是计算时采用的功率管功耗P忽略了 由管壳散出的热量。这是由于在不加任何散热措施的情况下该途径的热阻非常 大。反之亦然。四、封装外壳为主散热途径的热分析在热分析时我们提到功率管的散热途径有2个，上面介绍的散热方法主 要考虑了管脚的传热途径，如果印制板受到限制

12、，那么由封装外壳散热如何呢？ 图7是SO-8封装的功率管工作时温度的测量结果。in 7 7 - g在监即状忘131装州NF管鬼孙史溶将由图7可以看到，SO-8型功率管温度最高的地方是在管壳上方接近漏极 管脚1 mm的地方。根据图4的等效热路图，这条散热途径主要是确定功率管基 片层由功率管封装外壳到外部环境的热阻R 。这个热阻也由2部分组成，即 R =R +R :第一部分热阻R是指功率管内部基片层到封装外壳的热阻，这 e ja e jc e cae jc个阻值同样是由功率管本身确定的；另一部分热阻R是指封装外壳到外部环境 的热阻。我们知道空气是绝热的物质，所以如果能菜用一些散热的方法，大大降 低

13、这部分热阻，对于功率管和整个系统的散热和输出更大的功率就会有很大的帮 助。采用的思路是在封装外壳上加装散热器件，降低封装外壳到周围环境的 热阻，由散热器件将功率管的主要热耗散带走。这里热阻R也由2部分组成，即R =R +R 。其中R是封装外壳 到散热器的传导接触热阻,由是散热器的热阻：。对于热阻rch可以用公式：喝=工留+、乩(10)i 4 Ii I式中n为接触面数，m为衬垫数。其中Rc和Rs是接触热阻，可按下面的公式计算：瞄=土 其中k为接触传热系数，是一个试验经验值，s为接触面积。接触热阻与接触材 料、接触压力和接触面的表面光洁度都有关系。对于散热器的热阻Re由可以用公式：式中a为散热器的

14、放热系数，根据分析散热器的传热方式,其值为几种散热方式放热系数之和，可由下式计算：心虽五.里(3)这样系统的热阻就可以确定下来了。接下来的问题就是根据耗散功率来确定散 热器的温度T的值。对于散热器来说它和外界环境的热交换主要以对流和辐射 两种方式进行。这里可以引用热力学里的对流和辐射的公式：(14)(14)。岫七G e5式（14）、（15）中为确定对流的换热系数，需要利用努谢尔特方程:此=G（16）当GR 1b时为层流状就对流放热系数平）二当侦Pc Itf时为真流状态用流放烙系数 0 = 1,34 k （At） o2种散热方式所散出的热量近似为系统的功耗Pd，即 + Cww *尸（由式（14）

15、、（15）、（17 ）可以算出散热器的温度Ts的值。对于多管 布设的问题同样利用公式*RP ），将功率管间的相互影响考虑进去，这样就可以确定功率管的工作结温：由以上的分析看出，为了提高功率管的功率，就必须降低散热器的热阻提高的 散热能力。设计时有几个原则可采用：（1）尽量使散热器与系统外部充分进行热交换，增大散热器与外部环境 的温差，提高对流放热系数，散热器件应尽量有较高的黑度提高辐射放热系数；（2）散热器件应选用有较高导热系数的材料；（3）散热器件与功率管的安装面要光洁平整减小接触热阻。封装外壳和 金属件要接触紧密，不能存在空气隙，因为空气是绝热的物质，空气隙的存在会 大大增加接触面的热阻。

16、最好的方法是在接触面上涂一层导热硅脂或加一层有弹 性的导热性好的材料，同时要求接触的金属面要光洁平整,尽量减小接触面的接 触热阻，保证热功耗能迅速地散出。另外由于SO-8型封装的焊脚地面要低于封装外壳的底面，在焊接时可能 造成多个功率管之间的高低差异，这样就不能与散热器件充分接触从而大大降低 散热的效果。为了解决这个问题，可以在功率管封装外壳的底部加一块导热衬垫， 如图8所示。这样在焊接时就可以保证每个功率管的高度一致，同时导热衬垫的热阻 一般在0.10.4C/W左右,远远低于空气的热阻，因此还可以将一部分功耗产生 的热量由底部通过印制板的铜箔散出。五、结论通过以上的分析可以看到，在采用SO-

17、8型封装的表贴功率管时可以通过 2条途径来考虑散热的问题。当考虑印制板为主要散热途径时的关键问题是确定功率管漏极管脚到周 围环境的热阻R。由上面的分析知道我们可以通过设计时提供的方法测量R的 值和利用式（7L）来计算R的值，从而确定出R的值。为了使功率管能出更大 的功率，就需要在印制板的选用和布板设计上尽量减小这个热阻。同时在布板时 要注意尽可能使功率管放在印制板的中间，如果由于设计原因功率管不得不放在 板的边缘处或靠近边缘的地方，就需要在印制板的边缘增加一些导热材料以减小 传递热阻，或是让漏极的管脚尽量靠近印制板上的最大的导热器件。另外将 MOSFET管的管脚与较宽的印制线和较大面积的铜箔相

18、连以使热量向各层的铜箔 转移，这样也可以减少由管脚到内层铜箔之间的热阻。印制线的宽度对于MOSFET 管的功率处理能力也是有影响的，设计时与管脚相连的印制线的宽度最好大于20 mil （约 0.5 mm）。当考虑封装外壳为主要散热途径时要确定的是封装外壳到外部环境的热 阻R和散热器的温度。我们可以利用式（10）和（12）来计算出热阻R的值，9 CA同时利用对流和辐射方程计算出散热器的温度。9 CA这里有一点需要说明，由于导热条件的不同，由2个途径散出的热量是有 差别的。功率管热量散出的这两个主要途径是我们考虑散热的主要方向。所以对 于不同的系统或设备的要求，如小型化、成本的控制等，可以考虑在哪条散热途 径上采取措施或两者的综合。参考文献电子设备结构设计原理M.南京：江苏科学技术出版社，1978Alan Li，Br