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热度在上升 — 大功率表面贴装电阻器

作者:时间:2017-12-04来源:电子产品世界

  前言

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/201712/372478.htm

  无源电子元件行业蒸蒸日上,因为新型表面贴装大功率器件,尤其是正在被广泛采用。这是令人兴奋的,因为它带来了缩小电子设备整体尺寸的机会。但遗憾的是,我们不得不遵守物理学定律。由于它们的特性而必定会产生热量。当对施加更多的功率时,产生的热量也会更多。如果这些热量不能从元件中散发出去,则元件的阻值就会改变,最终会失效。

  有些新技术利用氮化铝(AlN)陶瓷取代了在1206尺寸上提供极高功率额定值(例如,大于100瓦)的氧化铝。AlN陶瓷具有比接近氧化铍的氧化铝更好的导热性。乍一看,这是非常令人兴奋和令人印象深刻的,但人们最终必须考虑如何将大量的热量从设备和电路的其余部分中转移出去。将100W的功率施加到1206尺寸上,电阻器将会快速加热到超过500°C的温度;如果没有正确散热的话这将熔化焊点,并可能损坏大多数电气元件,特别是有源器件。

  为什么这些电阻器要规定有这些额定值?由于衬底具有较高的导热性,而且能够将热量从器件中传送出去,所以,器件本身能够以这些额定功率运行。挑战在于热量转移到什么地方。制造商在产品资料中加了脚注,指明应当采用有效的热管理、精细的散热器,或简单地说,用户必须将设备温度保持在给定温度,例如。155℃。

  对这些高功率电阻器而言,实施必要的热管理是否容易或者是否具有较好的成本效益?不是的。这篇文章并不打算用热力学理论和复杂方程来吓倒读者。而是打算讨论一些管理高功率表面贴装电阻产生的热量的技术,以及它们对空间设计、复杂性和成本的影响。

  背景

  对于大功率表面贴装电阻器,主要有两种传热方式:1)通过基板和导体传导到线路板和迹线(trace)上,以及2)对流到周围环境中。

  图1. 大功率表面贴装电阻器的主要传热导类型

  传导是传热的主要手段,因此许多制造商为其装置提供热阻。热阻给出了在施加功率时,器件如何将热量传递到电路板和迹线的一阶近似值,即°C/W。这个额定值缺少很多细节。主要问题是用于确立该额定值的测试卡的属性。例如,在测试卡上所使用的铜的数量将显著影响所得到的器件的热阻。一些制造商提供关于他们的设备如何测试以确定额定功率或热阻的细节。但在许多情况下,所采用的技术在应用中是不切实际的。

  对流是一个需要考虑的重要因素,特别是在电路板被封闭的情况下。辐射的热量可能会将环境温度迅速提高到不安全和有害的水平。如果电路板被封装起来,则可能会对高功率元件和周围元件造成不利影响,因为它会阻止热量通过对流方式传递出去。强烈建议高功率电阻器不要被封装起来。

  一些制造商的额定功率假设采用无限散热器。无限散热器是能够从设备中携带走无限热量的散热器。但这是不现实的,因此可能需要限制可施加于组件的功率。

  热管理技术

  厚板迹线(Heavy Board Traces):

  一种简单而常见的技术是使用厚板迹线。扩大电路板迹线的表面积和体积是一种容易实现的技术。由于这些装置中的大部分传热工作是通过传导来进行的,所以这是一种常见的技术。一个例子如图2所示。采用这种技术时有两个选择:1)增加迹线的宽度,2)增加走线的厚度。

  图2. 实施厚板迹线的示例

  这种技术将电阻器产生的热量传播到整个电路板上,从而增加热量向周围环境辐射的面积。当达到稳态时,会出现挑战。如果设计中不包括主动热管理技术,最终,线路板和周围环境将达到可能超过安全运行温度的峰值温度。

  这种技术通常具有较低的成本。但由于迹线所使用的金属(通常是铜)的数量,因此仍然存在较高的成本。此外,还需要增加线路板的重量和尺寸才能适应厚板迹线。

  热背板:

  更健壮的类似技术是采用一块热背板。这种技术在线路板的背面使用一块较大的铜板将热量从电路上传送出去。与厚板迹线技术相同的是,热量也是散布在大块热物体上,这将增加通过对流和辐射传递热量的面积。一个例子如图3所示。同样,如果不采用主动热管理,则线路板和周围环境可能会超过安全运行温度。

  图3. 实施热背板的示例

  这种技术增加了较高的成本,因为背板通常是由重铜制成的。此外,这种技术将增加设计重量,并且很可能将线路板限制为单层板,从而会增加线路板的尺寸。

  油浸:

  将线路板浸入油中是将热量从线路板及附接部件中携带出去的有效方法。由于油与线路板的每个表面直接接触,所以热量传导非常有效。一个例子如图4所示。这种技术所面临的一些挑战是油污染和材料兼容性。油必须具有非常好的介电性能。如果油被污染,介电性能可能会降低,导致出现电弧,从而导致设备或线路板发生故障。所使用的油可能需要专门定制,并且可能与高功率电阻器、其他部件或者甚至焊料等材料不兼容。

  图4. 实施浸油的实例

  同样,如果不采用主动热管理,则该技术在稳定状态下将面临限制。固定体积的油最终将达到可能超过安全运行条件的峰值温度。

  这种技术增加了显著的成本,因为油通常具有更高的成本,并且必须有特定的容器来容纳油。此外,在许多情况下,需要使用金触点/端子以避免与油产生化学反应,也会增加非常高的成本。

  主动冷却:

  主动冷却线路板可能非常有效,但成本高得多,通常在使用压缩机时会大于10,000美元。一种常见的技术是采用一种不停地循环冷却剂的冷却器。这可以与热背板一起使用,其中冷却剂在背板中的通道内循环,或者在通过热方式连接到背板表面的管道内循环。一个例子如图5所示。该方法也可以与油浴一起使用,其中油通过冷却器持续不断地循环。这两种技术都是从热背板或油浴中把热量“泵抽”出去。

  图5. 通过热背板实现循环冷却剂的示例

  另一种技术是使用强制通风,无论是有条件的还是无条件的。对电路板进行强制通风相对容易进行,而且可以以合理的成本实现。该技术的有效性面临一些限制,因为它依赖于对流以及大功率电阻器的表面积。一个例子如图6所示。大功率电阻器可以被封装在散热片中,由于散热片能够显著增加热质量和表面积,所以这有助于冷却过程的进行。采用这种技术需要足够线路板周围有充足的富裕空间,以适当地循环空气。空气通常必须过滤,以防止污染物降低电子设备的性能。

  图6. 实施强制风冷的示例

  结论

  大功率表面贴装电阻器即使采用标准的电路板安装技术,也能够提供更高的功率,因为它降低了衬底(例如AlN)的热阻,通常为标准芯片电阻的2至3倍。为了实现更高的功率,必须采用如本文所讨论的更复杂的技术。选择大功率表面贴装电阻器时,设计人员必须非常小心。简单地说,因为产品资料声称具有非常高的功率,所以设计人员就需要承担责任来遵守通常只用小字体注明的特定标准,例如最大表面积或终端温度。

  作者:Darin Glenn

  Darin Glenn目前担任Vishay公司的高级工程设计经理。此前,他曾在Viratec 薄膜公司和AGC平板北美公司担任职务。作为ESIA标准委员会的成员,Glenn拥有内布拉斯加大学电气工程理学硕士学位。



关键词: 电阻器

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