半導體的熱設計-前提篇

在半導體應用中，比如二極體、三極體、晶片等。半導體有個很明顯的特徵就是一怕電壓、二怕溫度，所以通常過壓和過熱的失效比較常見。像以前的電腦CPU，從最初的5V供電，變到3.3V，再到2.5V，1.8V。集成化程度越來越高，需要更小的空間。為防止PN結耐壓失效，到酷睿i7已經是1.2V的供電電壓。在功耗不變的前提下，根據P=V*I公式，電流自然就增大，根據焦爾定律：

Q=I^2*Rt(J)I=通過導體的電流，單位：A；R=導體的有效電阻，單位：Ω；t=通電時間，單位：s.

也就是說溫度勢必升高了，所以得出以下：

電壓低->體積小->溫度高電壓高->體積大->溫度低

這就是一個取捨問題，選擇高壓CPU，集成度就得降低。因為高電壓需要增加半導體PN結的厚度，使體積變得龐大。從現在的技術應用來看，體積小是發展趨勢，所以使得CPU的工作電壓越來越低。在設計當中，就得嚴格控制電壓的變化，絕不允許出現超過工作電壓的情況。無非也就是開關電源穩壓、TVS管抑制尖峰。課本上講得太多，但是裡面還有一個參數-溫度就講得比較少，為什麼呢？溫度的控制我們稱之為熱設計，熱設計影響的因素非常多，也不好用理論推演，非常複雜，課本上自然也就少得可憐，工程師在設計都是憑經驗+實測。

先來看幾個參數如下圖1，圖表截自1N4007規格書。

圖1

熱設計需要的幾個參數

1、PD : 耗散功率，單位W。

2、RθJA : 熱阻。

當有熱量在物體上傳輸時，在物體兩端溫度差與熱源的功率之間的比值

公式1

單位為開爾文每瓦特（K/W）或攝氏度每瓦特（℃/W）

攝氏度 = 開氏度-273.15

注意後面說明」Junction to ambient「，表示熱源PN結溫度T2，到外圍環境溫度T1之差與耗散功率PD的比值，帶有金屬散熱端通常會給出RθJC，即」Junction to cases「，表示熱源PN結溫度T2，到金屬散熱端溫度T1之差與耗散功率PD的比值。

3、TJ : 結溫，PN結的最高溫度，單位℃。

以上三個參數為熱設計提供了依據，首先最大結溫150℃，熱阻50℃/W為定值，而耗散功率PD為2.5W，它有個條件就是環境溫度TA為25℃，其它溫度是多少呢？是否也是2.5W呢？當然不是，通常工程師對此不理解，所以就不會做降額設計。其實規格書已經告訴我們，但沒有明說，根據上面公式1有P=(T2-T1)/R得出：

PD=(TJ-TA)/RθJA

以此為計算公式推算

當環境溫度TA為25℃時PD=(150-25)/50=2.5W

當環境溫度TA為85℃時PD=(150-85)/50=1.3W

所以當環境溫度越高其耗散功率就越小。功率變小時，由於二極體存在著壓降，那麼能流過二極體的最大電流也就變小了。若是環境溫度升高後還繼續維持相同的電流，則二極體就容易熱損壞導致失效。在設計中就需要考慮最大的環境溫度，在最大環境溫度下，半導體器件不超出其電氣規格就算是熱設計的一個前提吧。