摘 要：本文介绍了功率器件的热性能参数，并根据实际工作经验，阐述了功率器件的热设计方
法和散热器的合理选择。
关键词：热设计；功率器件；散热计算；散热器选择
引言
当前，电子设备的主要失效形式就是热失效。据统计，电子设备的失效有 55％是温度超过规定
值引起的，随着温度的增加，电子设备的失效率呈指数增长。所以，功率器件热设计是电子设备
结构设计中不可忽略的一个环节，直接决定了产品的成功与否，良好的热设计是保证设备运行稳
定可靠的基础。
功率器件热性能的主要参数
功率器件受到的热应力可来自器件内部，也可来自器件外部。若器件的散热能力有限，则功率的
耗散就会造成器件内部芯片有源区温度上升及结温升高，使得器件可靠性降低，无法安全工作。
表征功率器件热能力的参数主要有结温和热阻。
器件的有源区可以是结型器件(如晶体管)的 PN 结区、场效应器件的沟道区，也可以是集成电路
的扩散电阻或薄膜电阻等。当结温 Tj 高于周围环境温度 Ta 时，热量通过温差形成扩散热流，由
芯片通过管壳向外散发，散发出的热量随着温差(Tj-Ta)的增大而增大。为了保证器件能够长期正
常工作，必须规定一个最高允许结温 Tj max。Tj max 的大小是根据器件的芯片材料、封装材料
和可靠性要求确定的。
功率器件的散热能力通常用热阻表征，记为 Rt，热阻越大，则散热能力越差。热阻又分为内热
阻和外热阻：内热阻是器件自身固有的热阻，与管芯、外壳材料的导热率、厚度和截面积以及加
工工艺等有关；外热阻则与管壳封装的形式有关。一般来说，管壳面积越大，则外热阻越小。金
属管壳的外热阻明显低于塑封管壳的外热阻。
当功率器件的功率耗散达到一定程度时，器件的结温升高，系统的可靠性降低，为了提高可靠性，
应进行功率器件的热设计。
功率器件热设计
功率器件热设计主要是防止器件出现过热或温度交变引起的热失效，可分为器件内部芯片的热设
计、封装的热设计和管壳的热设计以及功率器件实际使用中的热设计。
对于一般的功率器件，只需要考虑器件内部、封装和管壳的热设计，而当功耗较大时，则需要安
装合适的散热器，通过其有效散热，保证器件结温在安全结温之内正常可靠的工作。
散热计算
最常用的散热方法是将功率器件安装在散热器上，利用散热器将热量散到周围空间，必要时再加
上散热风扇，以一定的风速加强散热。在某些大型设备的功率器件上还采用流动冷水冷却板，它
有更好的散热效果。散热计算就是在一定的工作条件下，通过计算来确定合适的散热措施及散热
器。
热量在传递过程中有一定热阻。由器件管芯传到器件底部的热阻为 Rjc，器件底部与散热器之间
的热阻为 Rcs，散热器将热量散到周围空间的热阻为 Rsa，总 的 热 阻 Rja=Rjc+Rcs+Rsa。若器件
的最大功率损耗为 Pd，并已知器件允许的结温为 Tj、环境温度为 Ta，可以按下式求出允许的总
热阻 Rja。
Rja ≤(Tj-Ta)/Pd
则计算最大允许的散热器到环境温度的热阻 Rsa 为：
Rsa ≤(Tj-Ta)/Pd-(Rjc+Rcs)
为设计考虑，一般设 Tj 为 125℃。在较坏的环境温度情况下，一般设
Ta=40℃~60℃。Rjc 的大
小与管芯的尺寸和封装结构有关，一般可以从器件的数据资料中找到。Rcs 的大小与安装技术及
器件的封装有关。如果器件采用导热油脂或导热垫后，再与散热器安装，其 Rcs 典型值为 0.1℃
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