半导体的热设计前提篇

在半导体应用中，比如二极管、三极管、芯片等。半导体有个很明显的特征就是一怕电压、二怕温度，所以通常过压和过热的失效比较常见。像以前的电脑cpu，从最初的5v供电，变到3.3v，再到2.5v，1.8v。集成化程度越来越高，需要更小的空间。为防止pn结耐压失效，到酷睿i7已经是1.2v的供电电压。在功耗不变的前提下，根据p=v*i公式，电流自然就增大，根据焦尔定律：

q=i^2*rt(j)i=通过导体的电流，单位：a；r=导体的有效电阻，单位：ω；t=通电时间，单位：s.

也就是说温度势必升高了，所以得出以下：

电压低->;体积小->;温度高电压高->;体积大->;温度低

这就是一个取舍问题，选择高压cpu，集成度就得降低。因为高电压需要增加半导体pn结的厚度，使体积变得庞大。从现在的技术应用来看，体积小是发展趋势，所以使得cpu的工作电压越来越低。在设计当中，就得严格控制电压的变化，绝不允许出现超过工作电压的情况。无非也就是开关电源稳压、tvs管抑制尖峰。课本上讲得太多，但是里面还有一个参数-温度就讲得比较少，为什么呢？温度的控制我们称之为热设计，热设计影响的因素非常多，也不好用理论推演，非常复杂，课本上自然也就少得可怜，工程师在设计都是凭经验+实测。

先来看几个参数如下图1，图表截自1n4007规格书。

图1

热设计需要的几个参数

1、pd : 耗散功率，单位w。

2、rθja : 热阻。

当有热量在物体上传输时，在物体两端温度差与热源的功率之间的比值

公式1

单位为开尔文每瓦特（k/w）或摄氏度每瓦特（℃/w）

摄氏度 = 开氏度-273.15

注意后面说明”junction to ambient“，表示热源pn结温度t2，到外围环境温度t1之差与耗散功率pd的比值，带有金属散热端通常会给出rθjc，即”junction to cases“，表示热源pn结温度t2，到金属散热端温度t1之差与耗散功率pd的比值。

3、tj : 结温，pn结的最高温度，单位℃。

以上三个参数为热设计提供了依据，首先最大结温150℃，热阻50℃/w为定值，而耗散功率pd为2.5w，它有个条件就是环境温度ta为25℃，其它温度是多少呢？是否也是2.5w呢？当然不是，通常工程师对此不理解，所以就不会做降额设计。其实规格书已经告诉我们，但没有明说，根据上面公式1有p=(t2-t1)/r得出：

pd=(tj-ta)/rθja

以此为计算公式推算

当环境温度ta为25℃时pd=(150-25)/50=2.5w

当环境温度ta为85℃时pd=(150-85)/50=1.3w

所以当环境温度越高其耗散功率就越小。功率变小时，由于二极管存在着压降，那么能流过二极管的最大电流也就变小了。若是环境温度升高后还继续维持相同的电流，则二极管就容易热损坏导致失效。在设计中就需要考虑最大的环境温度，在最大环境温度下，半导体器件不超出其电气规格就算是热设计的一个前提吧。

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