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稳态热分析在功率半导体器件


在电子领域,特别是PCBA领域,热条件对于设备的生命周期,性能和功能至关重要。环境条件通常会影响设计人员PCB布局其组件的方法

如此强调电子领域的热条件,逻辑上必须保证特定类型的热分析。一种这样的分析形式称为稳态热分析,这是我们将要重点关注的。 

什么是稳态?

在物理学领域中,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。在化学中,稳态是指尽管进行中的过程试图更改它们,但所有状态变量都是恒定的情况。

讨论中的字段或区域可能会更改,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)对半导体器件的不利影响。

小型化的需要加剧了这些条件,因为它涉及到以较小的距离安装功率半导体,从而利用了相同的散热器

什么是功率半导体器件?

当半导体器件在电力电子应用中用作整流器或开关时,称为功率半导体器件。功率半导体器件的典型示例是开关模式电源。我们称这种性质的设备为功率设备或功率IC(如果用于集成电路中)

通常,功率半导体器件在换向模式下使用,因此其设计优化了这种特定的使用类型。我们发现功率半导体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)传输线中的音频放大器之类的设备。

注意:换向是关闭导电晶闸管的过程。通常,有两种类型的换向:基于电压的和基于电流的。还有三种实现换向的方法:自然,强制和动态。

稳态热分析

我们将稳态热分析定义为对物质性质处于恒定温度的变化的分析。这种性质的分析对于访问功率半导体器件的正确工作参数至关重要。

在电子领域,结温达到足够高的值时,半导体器件会受到不利影响,这可能导致熔化和热失控。

稳态热分析是瞬态热分析的最后一步。此外,稳态热分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。稳态热分析利用热源,例如辐射,对流和连续温度边界。总而言之,这种类型的分析在绘制为时间的函数时会提供线性图。

热量对半导体器件的负面影响

半导体技术的进步是几乎所有电子设备不断小型化的代名词。唯一真正的例外是智能手机,对于仅几英寸大的类似型号,智能手机要求溢价。

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

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

稳态热分析的目的

稳态热分析的总体目的是根据所应用的对流条件,指定的温度或两者来计算对热负荷的热响应。稳态热分析假定所有边界条件和热负荷均为稳态。但是,稳态分析不能评估这些随时间的变化。

换句话说,稳态热分析可以分析热量对特定产品性能的影响。它研究了温度变化对材料性能的影响。了解这些结果可使公司预测产品性能行为,延长产品生命周期并改善其设计。这也使公司能够制造出更坚固,更能抵抗高温影响的产品。

热分析是材料科学的一个分支,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,功能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,功能和生命周期的影响,稳态热分析是至关重要的评估。它为公司提供的见解使他们能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。


使用万用表评估功率半导体测量

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

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