MOS管散熱設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)分享圖文-KIA MOS管

MOSFET的失效很多都是由于過熱導(dǎo)致的，那么在選件選型，電路設(shè)計(jì)及PCB布局時(shí)就要格外注意應(yīng)用情況和設(shè)計(jì)余量，確保MOSFET的Tj不會(huì)超過其最大值。

MOSFET散熱設(shè)計(jì)一定要注意的幾個(gè)經(jīng)驗(yàn)：

數(shù)據(jù)手冊(cè)中的熱阻值其實(shí)沒什么用

并不是散熱銅箔面積越大，散熱效果就會(huì)好

在元件正下方設(shè)置無電氣連接的銅箔對(duì)散熱也是有幫助的

過孔越多，散熱效果不一定越好

元件以外的溫度影響不容忽視

1. 數(shù)據(jù)手冊(cè)中的熱阻值其實(shí)沒什么用

在數(shù)據(jù)手冊(cè)中通常會(huì)列出MOSFET 熱阻值Rth(j-a)和Rth(j-mb)

Rth(j-a): 指器件結(jié)點(diǎn)（die）到周圍環(huán)境的熱阻。可以理解為是MOSFET元件本身的固有屬性，無法通過外界的措施加以改善；

Rth(j-mb): 指器件結(jié)點(diǎn)到焊接襯底的熱阻。焊接襯底通常定義為焊接到 PCB 的點(diǎn)，也是唯一首要的熱傳導(dǎo)路徑。

但要注意的是，表格中給出的值是有測(cè)試條件的，如果不是一樣的測(cè)試條件，熱阻值將會(huì)不同。如表格下面的注釋中明確提到焊接在FR4類型的PCB上，只有一層銅箔，銅箔表面是鍍錫的，并且采用的是標(biāo)準(zhǔn)的焊盤封裝。

然而在實(shí)際的PCB布局上，基本上都不是只有一層銅箔，也有可能用沒有鍍錫的OSP材質(zhì)的PCB，所以數(shù)據(jù)手冊(cè)中的數(shù)據(jù)是絕對(duì)不能直接應(yīng)用在實(shí)際產(chǎn)品的溫度計(jì)算中的，而是要根據(jù)實(shí)際的電路消耗和PCB布局情況通過仿真或者測(cè)量的方式來獲得真實(shí)可信的溫度Tj數(shù)據(jù)。

2. 并不是散熱銅箔面積越大，散熱效果就會(huì)好

通過下面的仿真模型來看一看散熱銅箔面積與元件Tj的關(guān)系。

下面的仿真模型為一個(gè)MOSFET器件焊接在了尺寸為 40 x 40 mm，F(xiàn)R 4 材質(zhì)的 PCB 上，元件下面的直接相接觸的銅箔為邊長(zhǎng)x mm的正方形，周圍環(huán)境溫度為20°C。

經(jīng)過擴(kuò)大焊盤銅箔的邊長(zhǎng)，不斷地進(jìn)行Tj的仿真，繪制出下面的曲線。可以看出：

結(jié)點(diǎn)溫度Tj很大程度上依賴于邊長(zhǎng)x，或者說是單層銅箔的面積。

但隨著銅箔面積的增大，Tj的下降將放緩，增大到一定面積后，Tj將不再受銅箔面積的影響。這也展示了“效果遞減法則”的道理。

所以并不是焊盤的銅箔面積越大，元件的散熱效果就越好。

3. 在元件正下方設(shè)置無電氣連接的銅箔對(duì)散熱也是有幫助的

上面展示了一層PCB板，將散熱銅箔面積增加到一定大小之后，散熱效果將不再明顯。那么這時(shí)我們就可以將PCB板變?yōu)閮蓪影澹⒃谠恼路教砑酉鄳?yīng)的銅箔幫助散熱，即使沒有電氣連接的過孔也是有幫助的。

基于第二部分的仿真模型，在元件的正下方設(shè)置面積為25mm x 25mm的銅箔，通過變化頂層焊盤銅箔的面積，發(fā)現(xiàn)即使沒有電氣連接性的銅箔也是對(duì)散熱是有幫助的。

原因可以理解為熱是通過熱輻射的方式進(jìn)行上下層之間的傳導(dǎo)的。

通過上面的仿真結(jié)果圖，當(dāng)頂層元件密度較高時(shí)，可以考慮將頂層銅箔面積從 25 x 25 mm 減小到大約 15 x 15mm，然后在底層添加25mm x 25mm的銅箔，這樣就可以保證相同的熱性性能（Tj都是56°C左右）。

4. 過孔越多，散熱效果不一定越好

一般來講在器件下方加入過孔可以提升熱性能，但我們卻很難知道需要加幾個(gè)過孔才是最佳的方案。添加過孔時(shí)要考慮EMC和PCB成本兩個(gè)方面，做到與散熱性能的平衡。

EMC：考慮到EMC向外輻射及信號(hào)互相串?dāng)_的路徑，一般需要PCB中有一層完整的地平面用來屏蔽，但過孔的增加勢(shì)必會(huì)將破壞地平面的整體性。

PCB成本：每一個(gè)過孔都是由鉆頭鉆出來的，所以會(huì)增加PCB制作的成本。

上面的仿真結(jié)果圖表明了從器件下面無過孔到器件下面有 20 個(gè)過孔，器件的Tj有明顯的下降。這清楚表明，熱能從 MOSFET 散熱片通過過孔傳導(dǎo)至第四層，其結(jié)果同預(yù)料的完全一致。

但也可以發(fā)現(xiàn)，盡管在器件下面逐步增加了過孔的個(gè)數(shù)（由20增加到了77個(gè)）卻沒有導(dǎo)致Tj額外的降溫。這是因?yàn)槲覀兗尤敫嗟倪^孔，雖然使得 PCB 板的層與層之間的熱傳導(dǎo)增加，但同時(shí)也減小了可以暴露在空氣中與器件接觸的第一層 PCB 銅箔的面積。

因此我們并沒有看到熱性能方面大幅提升。因此結(jié)論是通過加入過孔可以提高散熱性能，但繼續(xù)加入過多的過孔，對(duì)散熱性能不會(huì)有明顯的提升。

5. 元件以外的溫度影響不容忽視

MOSFET結(jié)合點(diǎn)溫度Tj是由自身發(fā)熱所產(chǎn)生的溫度和環(huán)境溫度共同組成的。

想辦法更好地散熱的同時(shí)也要注意到元件以外的溫度，如：

產(chǎn)品所在的環(huán)境溫度：一般為客戶需求，不能更改。

元件周圍是否有其他高功率，大發(fā)熱量的器件：這會(huì)通過熱輻射的方式來提升元件周圍的溫度，造成理論設(shè)計(jì)計(jì)算中考慮不到的失效。

增加空氣對(duì)流散熱方式：產(chǎn)品是否可以加入風(fēng)扇來加快空氣流動(dòng)，提高散熱性能。

MOSFET的散熱不光靠焊接襯底，也可以通過管腳來散熱，所以增大管腳焊盤的銅箔面積也是有積極效果的。

極限情況下也可以考慮加入散熱片來增加散熱面積。

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