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新一代MOSFET封裝的熱力計算   【作者： Doug Butchers】   2004年12月04日 星期六

瀏覽人次：【12594】 新一代MOSFET封裝技術DirectFET，具備小體積、低高度及迴路單純等特點，其中最重要的是擁有電子與散熱優勢；此種為功率元件設計的封裝新方式，在所有與尺寸相關的條件上都比傳統封裝有所改進，例如極低的寄生電感、電阻以及熱阻值。本文將介紹DirectFET的穩態熱傳效應，並說明它如何能被表現為三個熱阻數值；這些數值能為其特別的散熱環境產生一最大功率或電流額定功率。 傳統封裝的溫度傳導模式 有一種相當簡單的方式能評估「傳統封裝」的額定功率，例如 (圖一)中所示之 TO-220。 《圖一　典型工業標準 TO-220 結構》 根據圖一的結構，一般的假設顯然是大部份的電力路徑會經過堅固的導線架，其上固定有矽。從那些熱度流至「周圍」直接或透過一個吸熱裝置間接與導線架接觸。這是一個有根據的假設，封裝主體由一封裝材料形成，它能依特定指示有效地將矽隔離。 熱傳導可能沿著焊線到達導線，但是由於導線很少且直徑非常小，因此結構相對較小。根據這樣的假設，在接合點所產生不超過接合點最大溫度的最大可允許功率為： 《公式一》 DirectFET的溫度傳導模式 對 DirectFET而言，熱傳較為複雜，熱度流經多個方向。首先，熱度從接合點流出，經過源極襯墊（以及閘門襯墊），經過基板（substrate）並直接離開到周圍或經由任何適用於基板的附加散熱媒介；其次，熱度從接合點流至“CAN”表面後離開，或者如果附有一“CAN”吸熱裝置，則從它的表面離開；第三，熱度從“CAN”流出，流經大量的“CAN”材質再回到基板，位置如(圖二)中以紅色箭號標示處。 即使粗略地與一傳統封裝相較，DirectFET結構仍會使人想到較多優點。例如一個DirectFET矽製小方塊不只有整個汲極表面積與一散熱表面接觸（經由一導熱晶片附著材質），而且有一重要的源極（以及閘門）範圍，直接經由它被固定的基板被散熱。與只有一個表面的傳統零件相較，汲極得益於良好的散熱。含有外部吸熱裝置的等價熱阻值網路如(圖三)中所示。 《圖二　DirectFET中電力路徑的方向》 散熱選配 如為DirectFET的兩個主要表面附加外部散熱裝置，也可以進一步增進它的熱性與電性。首先，做為一表面固定零件，它將經由基板收到有效的散熱至它被固定的基板軌跡會促成更多散熱，如果幾何學適當的話。良好的基板材質選擇也將大幅影響它的整體性能。舉例而言，較昂貴的IMS基板有極薄的隔離層，與重要的金屬底座結合，將比標準的FR4材質好得多。 同樣地，適用於“CAN”表面的附加散熱裝置將有類似的有利影響。在這個情形下出現下列情形： ●小型個別“CAN”吸熱裝置的使用，如(圖四)a。 ●一個涵蓋迴路中整個“CAN”表面的較大吸熱裝置的使用，如(圖四)b，顯示底部或盒子散熱的範例。 @內文:現在由於 DirectFET的“CAN”表面是在汲極電位，大部份的回路在某些零件之間將會需要一些電子隔離體。很幸運地，有一些目前市售的電子隔離導熱材質正好用於這個位置。這可能形成空隙補強混合物、隔離墊，甚至是黏合劑。黏合劑滿足了電子與熱傳需求，而且永久地將DirectFET附著至它們的吸熱裝置上。 這對“CAN”散熱而言可能通常是一個經濟的方式，尤其是當機械設計考慮到這類盒子或底部使用上的便利時。當然，對任何由空氣散熱的系統而言，產生氣流將進一步改善。如使用特別設計的吸熱裝置配置，這些改善將進一步提高。 《圖四　DirectFET的一般散熱方式》

對圖四(b)與(c)而言對IR目前的兩種“CAN”尺寸提供了一些有效熱電阻值的指導；這些數值如果適合可能被登錄到計算表上。

DirectFET的熱分析

DirectFET分析最主要的挑戰與它的主要優勢有關，那就是多方向電力路徑。能有效雙倍散熱矽裝置的能力表示根據在基板與在“CAN”介面的散熱，從矽流出的電力將近乎平衡。但是為了能讓這些外部散熱「附加裝置」有正確的熱電阻值，有必要在一開始時，即知道在該方向產生的電力路徑。

迄今有效的資訊表示已為與“CAN”的接合點或與基板的接合點提供一個個別的DirectFET熱電阻值，但是以在矽上產生的總功率為基礎而無視於功率分配。這相當有效，但確實限制了數據，因而只能用於一組特定的散熱條件。

如果對這些條件有任何改變，這些數值可能無法準確地表示新的情況。

流經熱阻值路徑電力的改變通常會導致熱電阻值數值的改變，參照(圖五)。

《圖五　典型熱電阻值特性》

熱力循環的數學分析

圖三中的回路可用基本迴路技術加以分析，以與它的電子等價物相同的方式來處理熱迴路。

《圖六　有基本假設的熱傳等價迴路》

(圖六)的分析結果為：

《公式二》

這個形式的算式最適合高頻率迴路，其中功率損耗是傳導與切換二者造成的結果；對低頻率操作而言，切換損耗一般可能不予理會（除非切換過渡期故意延長）。實例如下：

《公式三》

額定功率計算表

之前的方程式全部涉及相當長的算式，所以為了讓這些計算較容易，已有一種額定功率計算表可供使用，如(圖七)所示。

《圖七　Direct FET額定功率計算表》

如圖七所示，必要的計算表項目在數字上相當有限；這些項目有些是從其他供應商數據中取得，例如附加吸熱裝置的數據或DirectFET被固定在其上的基板材質數據‧額定功率計算表是一個「操作」表，只要完成最後一個登錄，就會得出答案。

R1、R2、R3 參數

有效內部DirectFET熱電阻值之熱量定義封裝，是由結構的尺寸與材質導電率來決定；(圖八)提供這些參數的指示以及它們在略圖中的實際位置。（R1、R2、R3 參數為用於功率計算表的數值，如圖七中所示）

ctFET計算表。

《圖八　參數R1、R2與R3的實際體現》

功率路徑方向

DirectFET額定功率計算表的使用可說明功率路徑一些有趣的觀點。如圖六所示，流經「分流」主要電阻R1與R2的內部等價電阻 R3 的電力，為計算而採用，方向是從基板到“CAN”表面。這將是附加“CAN”散熱所在的位置，由於接近與這個表面的接合點，基板表面將較熱。如果沒有使用附加“CAN”散熱，該位置可能被顛倒且“CAN””可能比基板表面熱，電力將從“CAN”流回基板。而計算表可自動解決這個問題並使用這個調整過的功率迴路來決定最大功率等級。這項知識可能被設計者用於決定要在何處消耗熱度以及什麼是最經濟的方式。

如無附加“CAN”吸熱裝置，DirectFET計算表仍需為“CAN”表面對周圍的有效電阻值登錄一個數值。

施加正確功率

為基板散熱與“CAN”散熱登錄計算表需要實際上與流過該介面之特定電力相關的數值。圖五顯示Rth數值可能因電力而有如何的不同。

如在不自然的氣冷狀態下散熱，Rth數值大致上不受電力影響。較在自然空氣流動下的變化小。

這表示對自然散熱條件下熱電阻值計算表登錄而言，可能需要一個反覆的過程以取得最佳準確度。

舉例而言，如果“CAN”與基板熱電阻值大致相同，則最好先個別登錄Rth數值，功率等級被視為約是可容許總功率的一半 。

一旦這項和其他輸入功率登錄，計算表會產生總功率的答案並同時顯示經過基板與基板吸熱裝置的功率等級如何被平衡。

根據這項資訊，假設個別的Rth數值可依它們的Rth/功率特性和做成的修正加以檢查，最後得到該位置，登錄的熱電阻值對結果中的那些功率路徑等級是適當的。

計算表的使用－有VRM電路板的範例

(圖九)中顯示的四相位同步降壓轉換器VRM 9.1電路板，側邊設計了DirectFET主功率「開關」，且其他大部份轉換器元件例如電感、電容以及閘門驅動積體電路則在另一側上。圖九顯示寄生於DirectFET前之電路板電力切換側。這種方式的主要優點是促進以鋁製吸熱裝置熱接觸CAN全部八個表面的DirectFET之額外散熱。

要將迴路功能維持在一個極薄的電子隔離層，導熱固定材質對將CAN與吸熱裝置分開而言是必要的。（此範例同步Fet為IRF6603 DirectFET與切換Fet IRF6604裝置）。

《圖九　VRM 電路板的 DirectFET側（在附加裝置之前）》

圖九範例中吸熱裝置的尺寸經過設計（94mm×12mm×11mm）且被固定以使表面積與散熱度達最大化；(圖十)顯示突出物（附有測試導線）。對具有任何半導體熱計算與其散熱系統者，有必要知道散熱元件的散熱特性與功率路徑中任何介面材質的散熱特性。

所以對這個排列而言，基板與吸熱裝置Rth特性是必要的，加上CAN吸熱裝置介面的熱傳細節。在評估所有這些Rth特性時，千萬要記住考慮適當的熱源腳位面積。對基板熱電阻值而言，舉例來說，數值必須有關完整的DirectFET源極、閘門以及汲極襯墊腳位組，在圖九中顯而易見。對吸熱裝置熱電阻值而言，熱源腳位是CAN表面積。再者，當其他裝置大約也是消耗功率時，換句話說，提到正常迴路操作時，兩者必須代表Rth數值。

使用一塊複雜與特殊如VRM電路板的板子，可能這類資訊不是那麼容易可自材質供應商處取得，所以測量已依它的熱特性進行，請見(圖十一)。Rth特性也因吸熱裝置而被決定，特別是與DirectFET CAN面積同等面積的熱源，CAN在吸熱裝置上與在VRM電路板上有相同的相對位置。參照(圖十二)。

《圖十一　根據 DirectFET的VRM基板熱傳效應》