穩態(tài)熱分析在功率半導體器件

2020-07-29

在電子領(lǐng)域，特別是在PCBA領(lǐng)域，熱條件對于設備的生命周期，性能和功能至關(guān)重要。環(huán)境條件通常會(huì )影響設計人員在PCB上布局其組件的方法。

如此強調電子領(lǐng)域的熱條件，邏輯上必須保證特定類(lèi)型的熱分析。一種這樣的分析形式稱(chēng)為穩態(tài)熱分析，這是我們將要重點(diǎn)關(guān)注的。 

什么是穩態(tài)？

在物理學(xué)領(lǐng)域中，穩態(tài)是不隨時(shí)間變化的穩定狀態(tài)，或者是一個(gè)方向的變化被另一方向的變化連續平衡的穩定狀態(tài)。在化學(xué)中，穩態(tài)是指盡管進(jìn)行中的過(guò)程試圖更改它們，但所有狀態(tài)變量都是恒定的情況。

討論中的字段或區域可能會(huì )更改，但是穩態(tài)的定義保持不變。仍然保持不變的是熱條件（即高溫）對半導體器件的不利影響。

小型化的需要加劇了這些條件，因為它涉及到以較小的距離安裝功率半導體，從而利用了相同的散熱器。

什么是功率半導體器件？

當半導體器件在電力電子應用中用作整流器或開(kāi)關(guān)時(shí)，稱(chēng)為功率半導體器件。功率半導體器件的典型示例是開(kāi)關(guān)模式電源。我們稱(chēng)這種性質(zhì)的設備為功率設備或功率IC（如果用于集成電路中）。

通常，功率半導體器件在換向模式下使用，因此其設計優(yōu)化了這種特定的使用類(lèi)型。我們發(fā)現功率半導體器件的系統提供的功率范圍從幾十毫瓦到幾千兆瓦不等。這包括典型的一對藍牙耳機以及HVDC（高壓直流）傳輸線(xiàn)中的音頻放大器之類(lèi)的設備。

注意：換向是關(guān)閉導電晶閘管的過(guò)程。通常，有兩種類(lèi)型的換向：基于電壓的和基于電流的。還有三種實(shí)現換向的方法：自然，強制和動(dòng)態(tài)。

穩態(tài)熱分析

我們將穩態(tài)熱分析定義為對物質(zhì)性質(zhì)處于恒定溫度的變化的分析。這種性質(zhì)的分析對于訪(fǎng)問(wèn)功率半導體器件的正確工作參數至關(guān)重要。

在電子領(lǐng)域，結溫達到足夠高的值時(shí)，半導體器件會(huì )受到不利影響，這可能導致熔化和熱失控。

穩態(tài)熱分析是瞬態(tài)熱分析的最后一步。此外，穩態(tài)熱分析對于確定在恒定熱量供應下設備中的熱流量，溫度，熱通量以及熱梯度至關(guān)重要。穩態(tài)熱分析利用熱源，例如輻射，對流和連續溫度邊界?？偠灾?，這種類(lèi)型的分析在繪制為時(shí)間的函數時(shí)會(huì )提供線(xiàn)性圖。

熱量對半導體器件的負面影響

半導體技術(shù)的進(jìn)步是幾乎所有電子設備不斷小型化的代名詞。唯一真正的例外是智能手機，對于僅幾英寸大的類(lèi)似型號，智能手機要求溢價(jià)。

但是，無(wú)論設備的尺寸參數如何，減輕過(guò)熱仍然是重中之重。對于半導體，尤其如此，這在其制造商規定的最高結溫下很明顯。這些參數提供了控制可接受的工作條件的溫度閾值。

這證明了測量功率半導體器件（包括晶閘管，功率MOSFET，IGBT和功率二極管等應用）的工作溫度的重要性。

穩態(tài)熱分析的目的

穩態(tài)熱分析的總體目的是根據所應用的對流條件，指定的溫度或兩者來(lái)計算對熱負荷的熱響應。穩態(tài)熱分析假定所有邊界條件和熱負荷均為穩態(tài)。但是，穩態(tài)分析不能評估這些隨時(shí)間的變化。

換句話(huà)說(shuō)，穩態(tài)熱分析可以分析熱量對特定產(chǎn)品性能的影響。它研究了溫度變化對材料性能的影響。了解這些結果可使公司預測產(chǎn)品性能行為，延長(cháng)產(chǎn)品生命周期并改善其設計。這也使公司能夠制造出更堅固，更能抵抗高溫影響的產(chǎn)品。

熱分析是材料科學(xué)的一個(gè)分支，對降低系統及其組件與溫度相關(guān)的熱風(fēng)險的方式提供了深入的了解。在PCBA領(lǐng)域，過(guò)度的熱應力是影響性能，功能和生命周期的重要問(wèn)題之一。因此，需要適當的熱評估來(lái)確定溫度梯度，溫度分布以及設備與其環(huán)境之間的熱流或交換。

通過(guò)更好的設計和組件選擇來(lái)降低熱量的重要性在PCBA領(lǐng)域至關(guān)重要。受熱影響PCBA的設計，性能，功能和生命周期的影響，穩態(tài)熱分析是至關(guān)重要的評估。它為公司提供的見(jiàn)解使他們能夠制造出更適合其預期環(huán)境的更好的產(chǎn)品。反過(guò)來(lái)，這降低了成本并增加了產(chǎn)品的生命周期。

使用萬(wàn)用表評估功率半導體測量

值得慶幸的是，在我們的PCB設計和分析概述頁(yè)上，您將確保您的設計師和生產(chǎn)團隊共同努力，實(shí)現穩態(tài)熱分析的使用，以評估貴公司在極端溫度條件下的產(chǎn)品性能。