散熱片：讓設計散熱的逐步說明指南

散熱片很重要！屬於電路設計的重要環節，能讓熱量有效地從電子元件 (例如 BJT、MOSFET 以及線性穩壓器) 傳導出去，並散發到周圍空氣中。

散熱片的用意是在發熱元件上提供更大的表面積，使熱量更有效率地傳導至周遭環境中。元件的散熱路徑得到改善後，可降低元件接面處的各種溫升現象。

本文將會依據元件應用中的熱資料，以及散熱片供應商提供的規格，進一步探討散熱片的挑選事宜。

一定要使用散熱片嗎？

基於本文之目的，在此將假設討論中的應用有一個採用 TO-220 封裝的電晶體，其導通與切換耗損量相當於 2.78 W 的功耗。另外，環境運作溫度不會超過 50°C。此電晶體是否必須使用散熱片？

首先必須整理並瞭解所有熱阻抗中，有哪些特點可能會造成 2.78 W 功耗無法逸散至周圍空氣中。若無法有效地逸散，TO-220 封裝中的接面溫度會超出建議的最高工作溫度，在此應用中為 125°C。

一般而言，電晶體供應商會記錄從接面到環境的任何熱阻抗，以 R_{θ J-A} 符號表示，測量單位為 °C/W。此單位表示，元件內每耗散一個功率單位 (W)，接面溫度預期會上升超出 TO-220 封裝周圍溫度多少度。

具體來說，當電晶體供應商記錄接面到環境的熱阻抗為 62°C/W 時，TO-220 封裝內的 2.78 W 功耗會讓接面溫度上升到超出環境溫度 172°C (即 2.78 W x 62°C/W)。若假設此元件的環境溫度最糟為 50°C，則接面溫度會達到 222°C (即 50°C + 172°C)。這遠遠超過了指定的最高矽晶溫度 (125°C)，因此絕對需要使用散熱片。

在應用中加裝散熱片，即可大幅降低接面到環境的熱阻抗。接下來則要決定熱阻抗路徑必須多低才能安全可靠地運作。

建立熱阻抗路徑

在決定熱阻抗路徑時，首先要考慮的是可容許的最大溫升。如果元件的最高環境工作溫度為 50°C，而且已經確定矽接面必須維持在 125°C 或更低的溫度，則可允許的最大溫升為 75°C (由 125°C - 50°C 計算而來)。

接下來要計算接面與環境空氣之間的最大容許熱阻抗。如果溫度最多只能上升 75°C，而且 TO-220 封裝中的功耗量為 2.78 W，則最大容許熱阻抗為 27°C/W (75°C ÷ 2.78 W 計算而來)。

最後，計算出從矽接面到環境空氣的所有熱阻抗路徑，並確認總數值低於最大容許熱阻抗，也就是上方計算的 27°C/W。

圖 2：在典型的 TO-220 應用中，應在接面與環境空氣之間計算並計入的熱阻抗示意圖。

如圖 2 所示，第一個計算的熱阻抗是「接面到外殼」，以 R_{θ J-C} 符號表示。這說明熱能從發熱的接面傳導到元件表面 (此例中為 TO-220) 的容易程度。一般而言，供應商的規格書會列出這個阻抗值，以及接面到環境的值。在此假設接面到外殼的熱阻抗額定值為 0.5°C/W。

第二個要考量的熱阻抗是「外殼到散熱片」，以 R_{θ C-S} 符號表示。此阻抗用於估計熱能從元件外殼傳導到散熱片表面的容易程度。由於這兩個表面有時會不平整，通常建議在 TO-220 外殼的表面與散熱片底座之間，塗上熱介面材料 (TIM 或散熱膏)，確保兩者間可在熱能角度上達到完整地接合。塗上 TIM 後，TO-220 表面到散熱片的導熱效果將會大幅提升，但還是必須要考量相關的熱阻抗。

熱介面材料說明

一般而言，TIM 的特色為具有導熱性，測量單位為 W/(m °C) 或 W/(m K)。在此例中，攝氏溫度和凱氏溫度單位可以互換，因為兩者都是使用相同的溫度上升量測法，升溫與降溫都會進行計算。例如，溫度上升 45°C 等同於溫度上升 45 K。

在此之所以計入公尺單位，是因為 TIM 的阻抗取決於厚度 (TIM 的厚度，以 m 為單位) 對整體面積 (TIM 涵蓋的面積，以 m² 為單位) 的比率，產生的結果為 1/m (即 m/m² = 1/m)。在此例中，TO-220 外殼表面的金屬接片區域會塗上薄薄一層 TIM，詳細的特性及塗抹資訊如下：

透過上述特性，TIM 的熱阻抗能藉由以下方程式算出；為求一致性，單位採用 m：

選擇散熱片

最後要計入的熱阻抗是「散熱片到周圍環境」，以 R_{θ S-A} 符號表示。這個計算顯示出熱能從散熱片底座傳導至周遭空氣中的容易程度。

此例假設元件是在自然的對流情況下運作，且沒有任何的氣流。這張圖可以用來計算此特定散熱片的最終熱阻抗 (散熱片到周圍環境)。高於環境溫度的表面溫升量除以耗散的熱量，即得出該特定工作條件下的熱阻抗。此處耗散的熱量為 2.78 W，因此表面溫升會超出環境溫度 53°C。將 53°C 除以 2.78 W 可得出散熱片到周圍環境的熱阻抗，即 19.1°C/W。

在前面幾項計算中，接面與環境空氣之間的最大容許阻抗為 27°C/W。減去接面到外殼的阻抗 (0.5°C/W) 以及外殼到散熱片的阻抗 (0.45°C/W)，即可得出散熱片的最大容許阻抗為 26.05°C/W (即 27°C/W - 0.5°C/W - 0.45°C/W)。

基於此範例之目的，在這些假設條件下，此散熱片的 19.1°C/W 熱阻抗值遠低於先前計算的 26.05°C/W 容許值。這麼一來，能讓 TO-220 封裝內部的矽接面溫度更低，並讓設計享有更大的熱餘裕。另外，將所有熱阻抗值加總後乘上接面處的耗散功率瓦數，最後將結果加上最高環境溫度，即可估算出接面的最高溫度，如下所示：

此例顯示出散熱片在應用的熱管理方面有多麼重要。若忽略了散熱片，TO-220 封裝中的矽接面溫度會遠遠超過設計的額定限制溫度 125°C。只需修改並重複此處使用的流程，即可幫助設計人員針對多種不同的應用選擇大小適當的正確散熱片。

結論

散熱片在電路設計中扮演著重要的角色，因為散熱片可提供高效率的排熱路徑，讓熱量從電子元件導出並轉移到周圍空氣中。判別周圍環境的最高溫度以及元件中耗散的功率，即可可達到最佳的散熱片選擇；不會太小而導致元件燒毀，也不會太大而導致成本浪費。此外也要考慮 TIM 所扮演的重要角色，可在兩個表面間有效且一致地導熱。