稳态热分(fēn)析在功率半导體(tǐ)器件

2020-07-29

在電(diàn)子领域，特别是在PCBA领域，热条件对于设备的生命周期，性能(néng)和功能(néng)至关重要。环境条件通常会影响设计人员在PCB上布局其组件的方法。

如此强调電(diàn)子领域的热条件，逻辑上必须保证特定类型的热分(fēn)析。一种这样的分(fēn)析形式称為(wèi)稳态热分(fēn)析，这是我们将要重点关注的。 

什么是稳态？

在物(wù)理(lǐ)學(xué)领域中，稳态是不随时间变化的稳定状态，或者是一个方向的变化被另一方向的变化连续平衡的稳定状态。在化學(xué)中，稳态是指尽管进行中的过程试图更改它们，但所有(yǒu)状态变量都是恒定的情况。

讨论中的字段或區(qū)域可(kě)能(néng)会更改，但是稳态的定义保持不变。仍然保持不变的是热条件（即高温）对半导體(tǐ)器件的不利影响。

小(xiǎo)型化的需要加剧了这些条件，因為(wèi)它涉及到以较小(xiǎo)的距离安装功率半导體(tǐ)，从而利用(yòng)了相同的散热器。

什么是功率半导體(tǐ)器件？

当半导體(tǐ)器件在電(diàn)力電(diàn)子应用(yòng)中用(yòng)作整流器或开关时，称為(wèi)功率半导體(tǐ)器件。功率半导體(tǐ)器件的典型示例是开关模式電(diàn)源。我们称这种性质的设备為(wèi)功率设备或功率IC（如果用(yòng)于集成電(diàn)路中）。

通常，功率半导體(tǐ)器件在换向模式下使用(yòng)，因此其设计优化了这种特定的使用(yòng)类型。我们发现功率半导體(tǐ)器件的系统提供的功率范围从几十毫瓦到几千兆瓦不等。这包括典型的一对蓝牙耳机以及HVDC（高压直流）传输線(xiàn)中的音频放大器之类的设备。

注意：换向是关闭导電(diàn)晶闸管的过程。通常，有(yǒu)两种类型的换向：基于電(diàn)压的和基于電(diàn)流的。还有(yǒu)三种实现换向的方法：自然，强制和动态。

稳态热分(fēn)析

我们将稳态热分(fēn)析定义為(wèi)对物(wù)质性质处于恒定温度的变化的分(fēn)析。这种性质的分(fēn)析对于访问功率半导體(tǐ)器件的正确工作参数至关重要。

在電(diàn)子领域，结温达到足够高的值时，半导體(tǐ)器件会受到不利影响，这可(kě)能(néng)导致熔化和热失控。

稳态热分(fēn)析是瞬态热分(fēn)析的最后一步。此外，稳态热分(fēn)析对于确定在恒定热量供应下设备中的热流量，温度，热通量以及热梯度至关重要。稳态热分(fēn)析利用(yòng)热源，例如辐射，对流和连续温度边界。总而言之，这种类型的分(fēn)析在绘制為(wèi)时间的函数时会提供線(xiàn)性图。

热量对半导體(tǐ)器件的负面影响

半导體(tǐ)技术的进步是几乎所有(yǒu)電(diàn)子设备不断小(xiǎo)型化的代名词。唯一真正的例外是智能(néng)手机，对于仅几英寸大的类似型号，智能(néng)手机要求溢价。

但是，无论设备的尺寸参数如何，减轻过热仍然是重中之重。对于半导體(tǐ)，尤其如此，这在其制造商(shāng)规定的最高结温下很(hěn)明显。这些参数提供了控制可(kě)接受的工作条件的温度阈值。

这证明了测量功率半导體(tǐ)器件（包括晶闸管，功率MOSFET，IGBT和功率二极管等应用(yòng)）的工作温度的重要性。

稳态热分(fēn)析的目的

稳态热分(fēn)析的总體(tǐ)目的是根据所应用(yòng)的对流条件，指定的温度或两者来计算对热负荷的热响应。稳态热分(fēn)析假定所有(yǒu)边界条件和热负荷均為(wèi)稳态。但是，稳态分(fēn)析不能(néng)评估这些随时间的变化。

换句话说，稳态热分(fēn)析可(kě)以分(fēn)析热量对特定产品性能(néng)的影响。它研究了温度变化对材料性能(néng)的影响。了解这些结果可(kě)使公司预测产品性能(néng)行為(wèi)，延長(cháng)产品生命周期并改善其设计。这也使公司能(néng)够制造出更坚固，更能(néng)抵抗高温影响的产品。

热分(fēn)析是材料科(kē)學(xué)的一个分(fēn)支，对降低系统及其组件与温度相关的热风险的方式提供了深入的了解。在PCBA领域，过度的热应力是影响性能(néng)，功能(néng)和生命周期的重要问题之一。因此，需要适当的热评估来确定温度梯度，温度分(fēn)布以及设备与其环境之间的热流或交换。

通过更好的设计和组件选择来降低热量的重要性在PCBA领域至关重要。受热影响PCBA的设计，性能(néng)，功能(néng)和生命周期的影响，稳态热分(fēn)析是至关重要的评估。它為(wèi)公司提供的见解使他(tā)们能(néng)够制造出更适合其预期环境的更好的产品。反过来，这降低了成本并增加了产品的生命周期。

使用(yòng)万用(yòng)表评估功率半导體(tǐ)测量

值得庆幸的是，在我们的PCB设计和分(fēn)析概述页上，您将确保您的设计师和生产团队共同努力，实现稳态热分(fēn)析的使用(yòng)，以评估贵公司在极端温度条件下的产品性能(néng)。