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[转载] Vishay大功率表面贴装电阻器的热度正在上升

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发表于 2022-12-5 11:37:27 | 显示全部楼层 |阅读模式 来自 广东省深圳市
无源电子元件行业的热度正在上升,因为它看到了新的表面贴装大功率器件的增加,特别是电阻。这令人振奋,因为它创造了缩小电子产品整体尺寸的机会。不幸的是,我们仍然必须遵守物理学定律。电阻器因其产生的特性而产生热量。当更多的功率被施加到一个电阻器上时,会产生更多的热量。如果这些热量没有正确地从部件中转移出来,部件可能会发生价值转移,最终失败。

有一些新技术利用氮化铝(AlN)陶瓷来代替氧化铝,这些技术拥有极高的额定功率,例如在1206外壳尺寸中超过100W。氮化铝陶瓷的导热性能比氧化铝好得多,接近于氧化铍的水平。乍一看,这非常令人激动和印象深刻,直到人们考虑到他们如何将大量的热量从设备和电路的其他部分转移出去。在一个1206尺寸的电阻上施加100W的热量,将使电阻迅速加热到超过500℃的温度,这将融化焊点,并可能损坏大多数电气元件,特别是有源器件,如果没有适当的散热。
为什么这些电阻有这些额定值?器件本身能够在这些额定功率下运行,这是因为基材具有较高的导热性,能够将热量从器件中转移出去。挑战在于热量转移到哪里。制造商在数据表中包括脚注,说明主动热管理、精心设计的散热器,或者简单地说,用户必须保持器件的特定温度,如155℃。
为这些高功率电阻器实施必要的热管理是否容易或具有成本效益?本文无意用热力学和复杂的方程式来压倒读者。其目的是讨论管理大功率表面贴装电阻器所产生的热量的一些技术,以及它们对设计空间、复杂性和成本的影响。

背景
大功率表面贴装电阻的热传递主要有两种类型。 第一个是通过基板和导体到电路板和迹线的传导。 二是对周围环境的对流。


图 1 - 大功率表面贴装电阻器的主要传热类型.jpg
图 1 - 大功率表面贴装电阻器的主要传热类型

传导是热传递的主要方式,因此许多制造商将为他们的设备提供一个热阻。热阻给出了一个一阶近似值,即设备在应用电源时向电路板和导线传递热量的程度,即℃/W。这个额定值缺乏许多细节,主要问题是用于建立它的测试卡的属性。例如,测试卡上采用的铜的数量将大大影响设备的热阻结果。一些制造商提供了关于他们的设备如何被测试以建立额定功率或热阻的细节。然而,在许多情况下,所采用的技术在应用中并不实用。
器件的设计和结构可以帮助热的传导,从而实现更高的额定功率。用氮化铝取代氧化铝基材,可以大大改善热量的传导。一些利用氮化铝基材的电阻产品是Vishay Dale的RCP和PCAN。这些器件的氮化铝允许热量在整个电阻上更迅速地散去--通过将更多的热量带到电路板和周围环境中--从而允许实现更高的功率水平。另一个用于改善热传导的方法是增加背面终端的尺寸。RCP和PCAN以及采用传统氧化铝基材的PHP都有这种做法。较大的背面导体通过增加热接触面积和减少电阻膜与电路板导线之间的距离来增加对电路板导线的热传导。

对流是一个需要考虑的重要因素,特别是当电路板是封闭的时候。辐射的热量可以迅速将环境温度提高到不安全和破坏性的水平。如果电路板被封装,它可能对大功率元件和周围元件不利,因为它阻止了热量通过对流的方式传递。强烈建议不要对大功率电阻进行封装。
一些制造商的额定功率假定了一个无限的散热器。无限的散热片是指可以将无限的热量从设备上带走。这是不现实的,因此可能会限制可应用于一个组件的功率。

热量管理技术
重板痕迹:
在电路板上增加表面积和体积是一种容易采用的技术。由于这些设备的大部分热传递是通过传导进行的,所以这也是一种常见的技术。图2中显示了一个例子。采用这种技术有两种选择。增加导线的宽度和/或增加导线的厚度。

传导.png
图2 - 实施重板追踪的例子
这种技术将电阻产生的热量分散到整个电路板上,这增加了热量辐射到周围环境的面积。挑战发生在达到稳定状态时。如果设计中不包括主动热管理技术,电路板和周围环境最终会达到一个峰值温度,可能超过安全工作温度。
这种技术通常是低成本的。然而,由于导线所使用的金属量(通常是铜),仍然涉及较高的成本。此外,还增加了重量和增加了电路板的尺寸,以适应沉重的电路板痕迹。
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