功率半導(dǎo)體方案的發(fā)展方向并不是提升轉(zhuǎn)換效率而已，散熱表現(xiàn)也是功率半導(dǎo)體相當(dāng)重要的因素。所以不管是在新一代的功率模組或是高壓切換元件，都將提升散熱的表現(xiàn)的設(shè)計(jì)加以導(dǎo)入。

散熱將是半導(dǎo)體從業(yè)者決勝關(guān)鍵

全球P半導(dǎo)體領(lǐng)頭集團(tuán)英飛凌收購(gòu)PCB制造商Schweizer Electronic股份，其主要目的之一也是為了相中了Schweizer Electronic公司在PCB半導(dǎo)體領(lǐng)域上先進(jìn)的散熱技術(shù)，從而形成技術(shù)互補(bǔ)。行內(nèi)人士對(duì)于此次收購(gòu)都直言：很明顯，接下來(lái)功率半導(dǎo)體從業(yè)者會(huì)將研發(fā)的注意力放在“散熱”性能的表現(xiàn)上，這也將是功率半導(dǎo)體業(yè)者們的決戰(zhàn)點(diǎn)之一。

雖然PCB如今是將芯片連在它們的正面和反面上，但芯片嵌入技術(shù)未來(lái)可讓半導(dǎo)體被“嵌入”到PCB里面。這有利于縮小PCB體積，該技術(shù)還能改進(jìn)芯片冷卻工藝，使芯片產(chǎn)生的熱量直接通過(guò)PCB散發(fā)掉。這對(duì)于需要高功率的功率半導(dǎo)體迄今一直需要采用復(fù)雜的冷卻技術(shù)的應(yīng)用特別有益，就比如汽車(chē)中的電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、主動(dòng)懸架系統(tǒng)或電動(dòng)水泵等可用空間很小的模塊系統(tǒng)獲益匪淺。這正是芯片嵌入技術(shù)的用武之地。

半導(dǎo)體目前制冷散熱方式

目前市場(chǎng)的半導(dǎo)體的散熱方式主要是與散熱片或散熱器連接的方式進(jìn)行熱量的傳遞，其主要結(jié)構(gòu)是由N型半導(dǎo)體、P型半導(dǎo)體、導(dǎo)線(xiàn)和陶瓷絕緣外殼組成。N.P型半導(dǎo)體通過(guò)金屬導(dǎo)流片鏈接，當(dāng)電流由N通過(guò)P時(shí)，電場(chǎng)使N中的電子和P中的空穴反向流動(dòng)，他們產(chǎn)生的能量來(lái)自晶管的熱能，于是在導(dǎo)流片上吸熱，而在另一端放熱，產(chǎn)生溫差”——這就是半導(dǎo)體制冷片的制冷原理。其中與CPU和顯卡接觸的一端為冷端，與散熱器接觸的一端為熱端。通電后熱量從冷端轉(zhuǎn)向熱端，使冷端的溫度降低，同時(shí)熱端的溫度會(huì)相應(yīng)的升高。但如果半導(dǎo)體散熱片冷熱兩端溫度相差過(guò)大，同時(shí)遇到空氣比較潮濕的環(huán)境，散熱片冷端容易產(chǎn)生“結(jié)露”問(wèn)題，從而容易造成電路短路。因此使用半導(dǎo)體散熱片時(shí)應(yīng)注意控制冷熱兩端溫差并且及時(shí)處理掉凝結(jié)的水露。

而對(duì)于半導(dǎo)體散熱片的“結(jié)露”問(wèn)題，則是通過(guò)風(fēng)扇來(lái)解決的，以風(fēng)扇的力量給半導(dǎo)體散熱片降溫，直至汗水被清干為止。

傳統(tǒng)半導(dǎo)體散熱方式優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn):能使溫度降到非常理想的室溫以下；并且可以通過(guò)使用閉環(huán)溫控電路精確調(diào)整溫度，溫度最高可以精確到0.1度；可靠性高，使用固體器件致冷，不會(huì)對(duì)CPU有磨損；使用壽命長(zhǎng)。

缺點(diǎn)：CPU周?chē)赡軙?huì)結(jié)露，有可能會(huì)造成主板短路；安裝比較困難，需要一定的電子知識(shí)。比較保險(xiǎn)的方法是讓半導(dǎo)體制冷器的冷面工作在20℃左右為宜

功率半導(dǎo)體散熱裝置設(shè)計(jì)注意要點(diǎn)

(1)通常對(duì)IGBT或晶閘管來(lái)說(shuō)，其pn結(jié)溫不得超過(guò)125℃，外殼溫度設(shè)定為85℃。有研究表明，功率器件散熱設(shè)計(jì)關(guān)乎整個(gè)設(shè)備的運(yùn)行安全。

(2)選用耐熱性和熱穩(wěn)定性好的元器件和材料，以提高其允許的工作溫度。第一代的半導(dǎo)體材料以硅（包括鍺）材料為主，以砷化鎵（GaAs）為代表的第二代化合物半導(dǎo)體材料。而以氮化物（包括SiC、ZnO等半導(dǎo)體）為第三代半導(dǎo)體材料。

(3)減小設(shè)備(器件)內(nèi)部的發(fā)熱量。為此，應(yīng)多選用微功耗器件，如低耗損型IGBT，并在電路設(shè)計(jì)中盡量減少發(fā)熱元器件的數(shù)量，同時(shí)要優(yōu)化器件的開(kāi)關(guān)頻率降低開(kāi)關(guān)損耗以減少發(fā)熱量。

(4) 采用適當(dāng)?shù)纳岱绞脚c用適當(dāng)?shù)睦鋮s方法，加快散熱速度。功率半導(dǎo)體裝置的冷卻設(shè)計(jì)主要考慮功率半導(dǎo)體器件和某些產(chǎn)高溫器件(如大功率繞線(xiàn)電阻)的散熱以及降低機(jī)柜內(nèi)空氣溫度。常用的冷卻方式為強(qiáng)迫空氣冷卻(使用鋁型材散熱器、熱管散熱器等)和循環(huán)水冷卻。

　　采用強(qiáng)迫空氣冷卻(風(fēng)冷)時(shí)，值得注意的是①散熱器的制造工藝不同其導(dǎo)熱系數(shù)差距很大，如同樣散熱面積的插片式散熱器的熱阻值要比鋁合金型材散熱器大好多。②散熱器底板厚度應(yīng)滿(mǎn)足熱的傳導(dǎo)，特別是應(yīng)用浪涌電流工作的設(shè)備如軟啟動(dòng)器需用底板厚20mm以上。③翼片的數(shù)目與波紋在保證最大散熱面積的前提下要考慮流體阻力，翼片的高度與厚度之間的比例要合理。

　　采用循環(huán)水冷卻方式可以大大提高散熱效率，可使芯片在較低的溫度下工作，提高其壽命。但采用循環(huán)水冷卻方式需要有水循環(huán)與處理設(shè)備。采用該方式時(shí)，應(yīng)注意：①為防止純水引起生銹與結(jié)凍，一般采用水與醇混合物。混合比例會(huì)影響到冷卻液的熱阻，當(dāng)混合比例為50%時(shí)，其熱阻一般增大50%。②正常情況下應(yīng)保證水的流速不小于8升/分。 ③在高溫濕熱的環(huán)境中，空氣中的相對(duì)濕度比較高，當(dāng)水溫較低，水冷散熱器表面的溫度低于露點(diǎn)時(shí)，表面會(huì)結(jié)露，影響絕緣。應(yīng)按標(biāo)準(zhǔn)要求采取措施，適當(dāng)提高水溫，降低環(huán)境空氣的相對(duì)濕度。

(5)器件在散熱器上安裝時(shí)應(yīng)注意其安裝位置。器件在散熱器上的布局應(yīng)注意以下幾點(diǎn): ①散熱器的中心位置熱阻最小。②在一個(gè)散熱器上安裝多個(gè)功率器件時(shí)，如器件發(fā)熱功耗不一，對(duì)產(chǎn)生大功耗的器件應(yīng)給予最大的面積。③安裝模塊的散熱器表面，應(yīng)注意平面度和表面粗糙度。表面如有凹陷會(huì)直接導(dǎo)致接觸熱阻的增加。為使接觸熱阻變小，在散熱器與功率元件的安裝面之間應(yīng)均勻涂一層極薄的導(dǎo)熱硅脂，只填充不平處的凹陷，保證原金屬間的接觸，并施加合適的緊固力矩，使接觸熱阻不超過(guò)數(shù)據(jù)手冊(cè)要求的值。