電力電子系統(tǒng)以熱阻為基礎(chǔ)的熱設(shè)計探討

1、電力電子系統(tǒng)以熱阻為基礎(chǔ)的熱設(shè)計探討1引言長期以來，電力電子系統(tǒng)設(shè)計非常重視熱管理(Thermal manage-ment)，因為它與可靠度的關(guān)系密切。 可靠度的掌握是強調(diào)源頭管理，從設(shè)計入(Design in)開始，按照系統(tǒng)開發(fā)的流程專注系統(tǒng)長期使用的整合 效果及對薄弱環(huán)節(jié)的重視18。電力電子系統(tǒng)開發(fā)工程師在成長之初，必須建立正確的觀念及良好的基 本功。以熱管理與熱設(shè)計的開發(fā)實務(wù)培訓(xùn)課程而言，它與基礎(chǔ)的電子構(gòu)裝設(shè)計開發(fā)實務(wù)及產(chǎn)品可靠度工程 研發(fā)息息相關(guān)(見圖1)。圖1電力電子系統(tǒng)開發(fā)工程師的培訓(xùn)計劃電力電子系統(tǒng)由模塊(子系統(tǒng))組成，而模塊由零組件所組成；以零組件中的半導(dǎo)體材料為例，由于晶 體

2、管制程不斷地進(jìn)步，芯片的面積得以越來越小，然而產(chǎn)品應(yīng)用的趨勢是要求更多功能整合在同一顆集成 電路上，使得其芯片運作頻率越來越高。就芯片制程技術(shù)而言，在降低高密度晶體管封裝所產(chǎn)生功率消耗 量遠(yuǎn)不及對應(yīng)的晶體管運作頻率所產(chǎn)生的交換損失以及傳導(dǎo)損失，因而功率消耗產(chǎn)生的“熱”問題就越來 越重要。在電力電子系統(tǒng)技術(shù)熱管理中的熱設(shè)計是非常關(guān)鍵的。以主機板構(gòu)裝的設(shè)計為例，設(shè)計工程人員需面對 節(jié)約耗電量的設(shè)計考慮與驗證后的延伸問題之關(guān)連的熱管理優(yōu)化設(shè)計。如果熱設(shè)計不當(dāng)，除了要被迫追加 更多外部機構(gòu)的散熱裝置，而且會造成發(fā)熱零組件性能快速的衰減，導(dǎo)致產(chǎn)品壽命縮短。美國Air Force Avionics Int

3、egrity Program (AVIP)的研究指出電力電子系統(tǒng)設(shè)備失效的原因分布中；熱的原因占54% (見 圖2)。振動22%其他 6%熱54%圖2電力電子系統(tǒng)設(shè)備失效原因分布2熱阻模式與熱設(shè)計的考慮因素2.1系統(tǒng)熱阻模式電力電子系統(tǒng)是模塊（子系統(tǒng)）的組合，而模塊是發(fā)熱體（Heat source）與散熱體（Heat sink ）的組合。 對熱管理而言，關(guān)注的是電力電子系統(tǒng)內(nèi)部中發(fā)熱體與散熱體間的關(guān)系及可能的熱傳遞方式（見圖3的上 圖）。在熱傳遞的不同方式中，熱阻（Thermal resistance），代表物體阻止熱流通過的能力。熱阻反映了 阻止熱量傳遞能力的綜合指標(biāo)。熱阻的概念與電阻非常類

4、似，單位是C/W，即物體持續(xù)傳熱功率為1W時， 所造成導(dǎo)熱路徑兩端的溫差（對單一散熱器而言，熱傳遞路徑的兩端分別是發(fā)熱體與環(huán)境空氣）。對熱設(shè)計而言，主要的目的是能將由發(fā)熱體產(chǎn)生的熱經(jīng)由合宜的散熱體組合設(shè)計快速地傳至系統(tǒng)外的環(huán) 境空氣。發(fā)熱體有：功率半導(dǎo)體、電阻、變壓器等儲能功率零件（簡稱為發(fā)熱零件或發(fā)熱零組件），其發(fā) 熱體內(nèi)部的熱流抵抗稱為“內(nèi)熱阻”，內(nèi)熱阻的特征是由發(fā)熱零組件制造商的制程技術(shù)來決定。模塊依循 電路圖，將多個發(fā)熱零組件在電路基板上做最優(yōu)化的電子構(gòu)裝設(shè)計。散熱體有：導(dǎo)熱膠、致冷器、散熱膏、 熱管、隔熱泡棉甚至是空氣介質(zhì)等。零組件相互空間的等效熱阻又稱之為“外熱阻”。一般的熱設(shè)計是

5、針 對系統(tǒng)等效熱阻值的最小化。對系統(tǒng)開發(fā)工程師而言在選定發(fā)熱零件或發(fā)熱零組件后，對內(nèi)熱阻的優(yōu)化無 能為力，因此設(shè)計的重點是系統(tǒng)等效外熱阻的最小化（圖3中點虛線圍起的部分）。電力電子系統(tǒng)的系統(tǒng)熱阻模式方塊圖如見圖3的下圖。系統(tǒng)等效熱阻是發(fā)熱體的總等效熱阻（R）與各散 熱體等效熱阻（Ri=1,2,）以串聯(lián)的方式呈現(xiàn)。簡單的說，Rs是發(fā)熱體的熱阻而點虛線內(nèi)的是外熱阻的等 效熱阻。事實上，發(fā)熱體、各散熱體或其界面組成的等效熱阻，可能會有串并聯(lián)的方式呈現(xiàn)。這是因為熱 傳遞的方式有傳導(dǎo)以外的熱傳遞方式的關(guān)系（如對流）。文中會有實例作說明。電力電子系統(tǒng)產(chǎn)品自然對流強制時流Rs:發(fā)熱體(內(nèi)熱阻)圖3上圖：電力

6、電子系統(tǒng)產(chǎn)品內(nèi)部環(huán)境熱處理關(guān)系，下圖：電力電子系統(tǒng)熱阻模式2.2案例1：桌上型計算機電源供應(yīng)器以桌上型計算機電源供應(yīng)器發(fā)熱零件模塊為例，說明各等效熱阻值的相關(guān)因素。圖4顯示了桌上型計算 機電源供應(yīng)器發(fā)熱零件模塊的示意圖。發(fā)熱零組件(功率零組件)發(fā)熱零組件因熱管理設(shè)計，經(jīng)?？紤]在構(gòu)裝上以接觸外部機構(gòu)的散熱裝置，如散熱片導(dǎo)熱膠、熱管， 接觸面積越大、越緊密結(jié)實，外熱阻Rth(C也就越小。零件相互間的構(gòu)裝各發(fā)熱零件或其模塊，因其散熱量在單位時間的數(shù)值不同，致使相互間的構(gòu)裝設(shè)計無論是直接接觸或存 在一定的距離，直至系統(tǒng)電源管理穩(wěn)定的一段時間后，熱傳導(dǎo)才會達(dá)到熱平衡。而其間的介質(zhì)不論是空氣、 絕緣材料或

7、金屬導(dǎo)體，環(huán)境溫度條件不論是為自然對流或強制對流，外部散熱裝置的導(dǎo)熱系數(shù)越大，外熱 阻越小。環(huán)境制冷裝置單位時間環(huán)境制冷裝置能帶走的散熱量越大，代表導(dǎo)熱系數(shù)越大，相對外熱阻越小。應(yīng)用環(huán)境溫度：溫度越低，外熱阻越小。螺絲絕緣型1 國=（1）+（2） + （3）圖4桌上型計算機電源供應(yīng)器發(fā)熱零件模塊示意圖圖4中有幾項參數(shù)需要多加說明：熱阻：符號表示為%，單位是C/W。發(fā)熱零組件材料組成表中各自內(nèi)部構(gòu)裝的介質(zhì)導(dǎo)熱系數(shù)、各組成間的接點與素子 (Element(e)、基 材(Substrate(s)、封裝(Package(p)的表面積，均會影響其熱阻的大小。接面溫度j 符號表示為j 單位是C。發(fā)熱零組件

8、內(nèi)部封裝晶磊(dice)或稱為(素子(e)的接面最脆弱的溫度點。該零組件當(dāng)工作時必有電流流入與流出經(jīng)由其內(nèi)部阻抗形成發(fā)熱現(xiàn)象其產(chǎn)生的熱，來自所謂的功率損耗(Pd),接面溫度就會隨著上升。功耗損失：符號表示為Pd，單位是W。發(fā)熱零組件因工作所產(chǎn)生的能量損耗可概分為傳導(dǎo)損失與交換損失，損失絕大部份是以熱的方式來散 逸。零組件有效熱散逸表面積：符號表示為A,單位是cm2。有些零組件本體表面并非單一材質(zhì)且為非平面，如何得到有效熱散逸最大表面積，其實透過灌膠 (Potting)的技術(shù)是可以達(dá)到最佳化。零組件本體表面平均溫度：符號表示為T.，單位是C。由于功率零組件尺寸相對較其它發(fā)熱零組件為大，且所處電力

9、電子系統(tǒng)位置在其本體各軸向周遭的溫度 與熱傳表現(xiàn)或有不同，因此零組件本體不同封裝材質(zhì)表面取樣多點溫度來求取平均值稱為T.。我們認(rèn)定的內(nèi)熱阻理論理想關(guān)系式應(yīng)為發(fā)熱零組件所有的功耗(Pd)乘以零件制造商本身提供的熱阻 規(guī)格Rth(j_c),再加上零件本體表面量測多點得到的平均溫度,就趨近得到零組件的素子接面溫度(T),這里 提到的Tj是計算值，不是真正埋入感溫線做量測的數(shù)值；除了零組件是采取樹脂封裝外，通?？梢罅憬M 件制造商提供工程樣品并埋入感溫線做驗證，當(dāng)然這種侵入性量測素子所直接量測的接面溫度因為改變了 原有的封裝結(jié)構(gòu),是會改變其原有的R表現(xiàn)。馬二盼電”頃對應(yīng)零組件相互間的構(gòu)裝也可以表示外熱

10、阻，理論理想關(guān)系式為4 二己凡(I)+ L-(2)2.3案例2：封裝半導(dǎo)體圖5顯示了以SOIC-8封裝半導(dǎo)體為發(fā)熱體的熱傳遞示意圖及等效熱阻模式。圖5很清楚展示表示電力電子系統(tǒng)中從發(fā)熱零件及外部機構(gòu)等的熱阻分析與計算。設(shè)計人員追求產(chǎn)品最優(yōu)化的散熱設(shè)計，求取半導(dǎo) 體與電子零組件間熱阻的最小化?；迳贤礨電路甚極銅箔散熱輔助i 封湖脂基材.:內(nèi)引線接合點，引腳.基械上焊盤的焊點晶磊素子接合點晶磊接面:j1 晶磊本體:e 基材：s 封裝樹脂：p 引腳：f 基板上魁的焊點： 晶磊素子接合點：d 內(nèi)引線接合點：w 電路基板銅箔散熱糖助:Rth(j1-e)j2Rth(e-d)Rth(p 力Rth(p-h)

11、Rth(e-s) Rth(s-p)NN內(nèi) 阻 RthQ-c)外蛆阻Rth(c-a)圖5 SOIC-8熱傳遞示意圖及熱阻模式其中Rth(d w)是指由內(nèi)引線的兩端接點間熱阻抗，晶磊素子接合(Die bonding)及外引腳接合(Wire bonding) 之間為金屬導(dǎo)體，其導(dǎo)熱系數(shù)高因此在計算總熱阻時，可忽略它。式(3)及式(4)分別表示電壓(電位差)、電流和電阻相互間的關(guān)系及溫度差、熱流量與熱阻的關(guān)系。電位差=電流X電阻(Q)(3)溫度差=熱流X熱阻(P/W)(4)熱阻的概念與電阻非常類似，但發(fā)熱點熱源的熱能是以球面朝各方向散逸的，因為這是有方向性的，通 常采空間向量法來進(jìn)行，但由于空間向量是

12、無限多個平面組合起來，因此一般產(chǎn)業(yè)經(jīng)常是以發(fā)熱零件模塊 為基本單位，考慮其功率消耗與有效熱散逸表面積兩者，簡化地先來進(jìn)行熱仿真分析，再對產(chǎn)品工程的樣 機進(jìn)行熱的關(guān)聯(lián)測試，以實驗數(shù)據(jù)結(jié)果求證設(shè)計的可靠度。一般而言，電力電子系統(tǒng)構(gòu)裝的總熱阻是由封裝結(jié)構(gòu)；封裝尺寸；基本零件元素子尺寸；外部機構(gòu)的散 熱裝置及環(huán)境空氣制冷熱交換能力等五項因素決定的。前3個是內(nèi)熱阻，后兩項則是外熱阻。熱阻Rth(j-c)值，因電子零件封裝有不同類型，而有不同的熱阻特性(可參考各零件的規(guī)格)；零件內(nèi)引腳 或外引腳的接點阻抗往往因環(huán)境因素透過零件外部接腳造成相關(guān)熱應(yīng)力與機械應(yīng)力影響，熱阻因而上升， 值得注意。圖5中的熱阻Rt

13、h(s-p)值，如封裝尺寸越大，熱阻就越低；但基本零件元素子基材尺寸相同的話，不同尺 寸的封裝其實對熱阻相差很有限。圖5中熱阻R ,、值，因零件元素子的制作材料其熱傳導(dǎo)性，通常是封裝元素子的樹脂的數(shù)十至數(shù)百倍； th(e-s)零件元素子本身的表面積區(qū)域其實對于零件散熱而言，已經(jīng)對熱源做出了最大的努力，這也就是說明為何 有些高功率且高密度空間的產(chǎn)品，其設(shè)計人員經(jīng)常會徑自要求零件供貨商提供沒有標(biāo)準(zhǔn)封裝的零件元素子 基材，自行做好熱構(gòu)裝設(shè)計。圖4中熱阻Rth(c-h)值會受到在構(gòu)裝上接觸外部機構(gòu)的散熱裝置如散熱片、導(dǎo)熱膠、致冷管等的影響。若 因機械壓力不足致使其間空氣隙面積大，此值也就越大。圖4中熱

14、阻Rth(h-a)值影響不大。只會降低理想式(2)中的Ta也就是環(huán)境溫度；無論是采用主動制冷(風(fēng)扇、 熱導(dǎo)管)的方法或被動制冷(散熱片、散熱介質(zhì))均可以有效地帶走零件封裝表面或印刷電路基板表面的熱量 從而有效地降低總體的熱阻。3直-直流電源模塊的熱設(shè)計考慮以熱阻為基礎(chǔ)的熱設(shè)計在電力電子系統(tǒng)熱管理十分重要。在直-直流模塊設(shè)計上，目前通訊產(chǎn)業(yè)應(yīng)用直 流-直流電源模塊的供貨商正遭遇來自NAS （Network Attached Storage）網(wǎng)絡(luò)儲存服務(wù)器產(chǎn)業(yè)客戶的挑戰(zhàn)。 這個挑戰(zhàn)說明了何以良好的熱設(shè)計可以提供更寬闊的工作溫度區(qū)間及產(chǎn)品可靠的支持。根據(jù)經(jīng)驗，優(yōu)秀的設(shè)計者總能在產(chǎn)品工業(yè)世界標(biāo)準(zhǔn)或品牌

15、系統(tǒng)公司定義規(guī)范下，在有限的功率與空間尺 寸要求內(nèi)，全力達(dá)成任務(wù)滿足客戶產(chǎn)品系統(tǒng)設(shè)計小組對效能表現(xiàn)的期望以及匹配周邊裝置的需求。隨著下 一代處理器的更高要求能擁有頻率更快、性能更豐富技術(shù)，這些挑戰(zhàn)也隨著變得更加困難去克服。這些挑 戰(zhàn)包括模塊的尺寸大小、可以提供的有限功率，電磁共容以及散熱處理問題等。在散熱的處理和空間限制 上的挑戰(zhàn)就變得比較嚴(yán)重了。要解決這些挑戰(zhàn)，設(shè)計小組不僅要了解的模塊的詳細(xì)規(guī)范，還包括了對模塊 的產(chǎn)品使用者的了解。換言之，對會帶來何種關(guān)聯(lián)性的影響要有一個系統(tǒng)構(gòu)裝工程的概念。3.1空間的限制過去三年間，多任務(wù)微處理器和周邊裝置在某種程度上因固定成本而維持了一個算是比較固定的空

16、間大 小。但因全球金屬原物料短缺、石油價格的劇烈波動及簡單行動裝置的市場訴求幾項因素，嚴(yán)重地影響了 產(chǎn)業(yè)的設(shè)計趨勢。產(chǎn)業(yè)設(shè)計趨勢是減小機械構(gòu)裝尺寸、多功能整合且持續(xù)輕薄短小，于是系統(tǒng)主機板上的直-直流模塊組 裝空間越來越狹窄。大部分的供貨商除了有限地繼續(xù)提升電源轉(zhuǎn)換效率及設(shè)計緊湊結(jié)實的功率零件封裝以 期降低模塊本體尺寸，期望盡量將剩余空間留給外部機構(gòu)的散熱裝置來做熱管理。設(shè)計者通常只能就環(huán)境 空氣制冷熱交換能力方向來因應(yīng)可能的散熱鰭片設(shè)計?？偠灾?，直-直流模塊大小所帶來的挑戰(zhàn)，將是在如何能改善總等效熱阻中的Rth（部份，提前投入做 零件構(gòu)裝設(shè)計的最優(yōu)化，產(chǎn)品設(shè)計小組的電子與機構(gòu)組員必須更緊密

17、地配合，否則將會花上更長的設(shè)計周 期。展望未來網(wǎng)絡(luò)儲存數(shù)據(jù)服務(wù)器產(chǎn)品的設(shè)計，可預(yù)期到每個直-直流模塊的設(shè)計將被要求必須能支持消耗 60200W甚至300W的負(fù)載需求。換言之，需要更強的散熱片設(shè)計與更優(yōu)的熱管理構(gòu)裝，也就是做好降低 熱阻。電子與機構(gòu)設(shè)計者在協(xié)作上解決散熱問題的能力是非常重要的。3.2分布式模塊電源分布式模塊電源的觀念不同于集中式電源。它的設(shè)計透過前端電源，提出直流埠分配至多個直-直流模 塊如同積木排列般的電源管理方式，它的設(shè)計有效地分散熱源并個別做熱阻優(yōu)化處理。設(shè)計者必須注意不 要使個別的供電超出最大的功率值。使用者必須注意要確保整個產(chǎn)品系統(tǒng)里面所需的功率不會超過電力電 子系統(tǒng)所

18、能提供的上限，檢查電源供應(yīng)器的建議功率值，尤其是功率減額與環(huán)溫的安全工作曲線范圍上的 考慮。3.3散熱問題移除直-直流模塊中平面變壓器產(chǎn)生的熱，是采用風(fēng)扇是典型冷卻散熱的方式？還是增加散熱片上的空 氣對流或散熱片本身的大?。渴聦嵣?，兩種方式都會受到空間的限制。而且大部分的變壓器都有線包的區(qū) 域與鐵芯外露的緣故而影響了散熱片尺寸上的擴增，此外發(fā)熱零件所產(chǎn)生的熱能是集中在一個小的區(qū)域內(nèi) 等都是困難所在。事實上，增加散熱片的大小并不能等比例地達(dá)到強化散熱的效果。舉例來說，一顆直-直流模塊產(chǎn)生了 32W的能量要被發(fā)散，散熱片的熱阻如果是0.25C/W，理論上這直- 直流模塊的溫度就會比其周邊高出8C。

19、圖6提供了 300W直-直流模塊1/2磚的熱阻、散熱片大小與風(fēng)速 的對應(yīng)關(guān)系。圖6中的X軸與Y軸的大小是以對數(shù)的方式呈現(xiàn)。（注：“Brick磚”：DC/DC變換器中，“Brick” 是用來表示模塊大小的“單位”，有所謂的全磚、半磚、1/4磚、1/8磚、1/16磚等，例如，密封的半磚 模塊，其大小為2.40X2.30X0.50（單位為英寸），而開架結(jié)構(gòu)半磚模塊的大小為2.40X2.28X0.30 （單位 為英寸）（高度還有0.34英寸等不同的數(shù)值）。0.220200圖6 300W D2D外部散熱片在不同風(fēng)速熱阻的表現(xiàn)從圖6可以看出散熱片的散熱能力并不和風(fēng)速成一線性函數(shù)，在熱阻上一個非常顯著的改善

20、，會在稍呈 自然對流狀態(tài)的空氣( 5LFM)與每分鐘300英尺的風(fēng)速情況下顯現(xiàn)出來，但是從每分鐘500英尺增加到每 分鐘1000英尺的風(fēng)速時，熱阻的改善就沒那么顯著了。另一個用吹風(fēng)方式的限制因素是形成噪音，當(dāng)吹 過直-直流模塊與散熱片的風(fēng)速增加時，所產(chǎn)生的噪音也會增加。從實務(wù)面來看，大部分的直-直流模塊在 系統(tǒng)應(yīng)用均提供每分鐘300英尺的風(fēng)速，如先前提到的，系統(tǒng)主機板的空間限制散熱片大小，一個300W直 -直流模塊1/2磚若外部散熱裝置分離為兩個散熱鰭片的設(shè)計，這樣通常約在每分鐘300英尺的風(fēng)速下有 0.6C/W的熱阻，直-直流模塊在NAS應(yīng)用規(guī)格允許最熱下會到85C，在一個嵌入主機板的應(yīng)用中

21、，周邊的 最高溫允許為65C，透過這些信息，當(dāng)遇到限制時，所能產(chǎn)生功耗的熱量可透過式(2)計算而得：功率 消耗33W。那么這直-直流模塊轉(zhuǎn)換效率至少為90%以上。當(dāng)一個直-直流模塊300W功率尺寸由1/2 brick演進(jìn)至1/4 brick，要增加直-直流模塊高功率密度則必 須提升轉(zhuǎn)換效率。然而直-直流模塊在1/4磚所用各功率零組件尺寸變小，提高工作頻率是選擇的方案之一， 半導(dǎo)體的熱阻上升相對熱處理構(gòu)裝在增加散熱片的大小，或是降低最大操作溫度、增強吹風(fēng)或者是這些方 法中的某種組合。下一代的設(shè)計目標(biāo)可會是達(dá)到300W在1/8磚尺寸大小實現(xiàn)，那表示我們必須要能處理更高的熱能。下 一代的直-直流模塊

22、由于將具備更形多樣豐富的功能與規(guī)格，勢必難以在增加散熱片大小上做文章，多出來 的功耗將必須透過增加風(fēng)速和降低最大操作溫度來達(dá)成。每分鐘600英尺的風(fēng)速甚至更高，散熱片熱阻 0.45C/W以下，周邊操作溫度可同樣被降到65C，如果給定這樣的條件，最大的功率消耗為 (85-65)/0.45=44.4W，這樣剛好進(jìn)到1/8磚效率足以處理的區(qū)間。這樣的計算顯示出透過增加風(fēng)速和提升 封裝熱阻的規(guī)格，是有可能可以達(dá)成的。要注意的是，熱阻的大小將會隨散熱片附著方式的不同而有所變 化。另外要考慮的一點是，直-直流模塊所產(chǎn)生的熱通常會在中間幾個轉(zhuǎn)換功率零組件上，而且并不容易均 勻地分布在散熱片上，如此也降低了散

23、熱片的散熱效能，熱模擬在確認(rèn)熱處理解決方案時是必要的。下一 代直-直流模塊的系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計使用者，將需要確定所使用的機箱能否提供的風(fēng)速足以確保直-直流模塊能 在其規(guī)格的極限上可靠地運轉(zhuǎn)。下一代直-直流模塊技術(shù)的使用者與設(shè)計者將必須對設(shè)計和整合上的錯綜復(fù)雜付出更多的心力，這些挑 戰(zhàn)很清楚地都是必須被克服的。設(shè)計者必須在一個固定大小的板子上塞進(jìn)更多的零件、設(shè)計者必須要設(shè)計 更有效的散熱片，而使用者則必須花更多時間去注意直-直流模塊在裝到系統(tǒng)主機板上使用時，功率使用管 理和冷卻方面的問題。4熱設(shè)計延伸的課題4.1系統(tǒng)工程從幾個角度觀之，對熱阻的研究發(fā)生興趣與重視是必然的事情。這些角度包括：精實管理與精

24、實設(shè)計、 系統(tǒng)可靠度提升、系統(tǒng)成本降低、跨領(lǐng)域整合科技、熱管理與效率提升、半導(dǎo)體元器件發(fā)展、散熱器設(shè)計、 IC設(shè)計等。除了相關(guān)的產(chǎn)業(yè)發(fā)展與商機是值得關(guān)注之外，系統(tǒng)工程中的系統(tǒng)思考是十分重要的&系統(tǒng)熱阻模式的建立可以帶來更大的思考與發(fā)展空間。在熱設(shè)計的過程中，系統(tǒng)熱阻是一個重要的觀念， 因為它與所有的系統(tǒng)特性一樣，系統(tǒng)的強度不是在它最強的環(huán)節(jié)，而是在它的最弱的環(huán)節(jié)。換言之，在眾 多的散熱體中，一些加工上的疏失（在熱傳遞時，熱的傳遞路經(jīng)有了“空氣素子”）或某個散熱體的不良 選擇都會造成整個系統(tǒng)的熱管理失調(diào)。此外，系統(tǒng)熱阻模式也帶來追求零組件構(gòu)裝熱阻最小化的理解，也 促使人們在追求單一素子的最優(yōu)化之

25、時，也應(yīng)注意追求均衡的、系統(tǒng)上的整體表現(xiàn)。這樣的改變對系統(tǒng)成 本的降低才有幫助。這樣的觀念，也才促使理論、模式、仿真、測試、電子構(gòu)裝、制造工藝有了共同的目 標(biāo)：發(fā)展出更合乎時代需求的電力電子系統(tǒng)（產(chǎn)品與設(shè)備）。為了充分了解發(fā)熱零組件在組裝至電力電子系統(tǒng)產(chǎn)品的熱阻變化，通常會測試數(shù)批次的產(chǎn)品中各零組件 經(jīng)過焊錫作業(yè)，再經(jīng)過冷熱溫度循環(huán)來分析熱應(yīng)力及老化振動壽命試驗來分析機械應(yīng)力后熱阻的變化。使 用紅外線熱像分析或直接用熱耦線偵測是經(jīng)常使用的兩個測量模式，聲波探傷設(shè)備追蹤分析是相對前衛(wèi)的 方法，它不像采取直接長時期壽命試驗是可以在短時間內(nèi)、追蹤環(huán)境條件、機械或溫度循環(huán)、負(fù)載循環(huán)、 對熱阻的變化情形

26、，完成可靠度工程驗證，在現(xiàn)今分秒必爭的時代是不可或缺的利器。發(fā)熱零組件的熱阻通常會因為環(huán)境條件致使熱應(yīng)力的變化而造成機械應(yīng)力漸近式老化，我們稱它為磨耗 失效或破壞失效，也稱為長時間破壞失效。有些零組件的熱阻因為其在高溫工作環(huán)境下，接點承受剛性破壞失效，也稱為隨機破壞失效。表1說明 環(huán)境因素下零組件承受熱與機械應(yīng)力而產(chǎn)生的破壞模式關(guān)系。表1零組件承受熱與機械應(yīng)力而產(chǎn)生的破壞模式關(guān)系破環(huán)模式 I機橢應(yīng)力熱應(yīng)力接點哦受闞性破蚌主要固定環(huán)溫與FHKiEig）次要固定環(huán)溫跳CE） 疲勞藻近峨壞失效次誓I溫度掰環(huán)與據(jù)，拉、HP主耍溫度裾環(huán)與弟服冷播）發(fā)熱體與散熱體之間也要考慮周到，否則往往會功虧一簧。以散

27、熱片為例，散熱片的吸熱效果主要取決 于散熱片與發(fā)熱物體接觸部分的“吸熱底”設(shè)計。性能優(yōu)秀的散熱片，其吸熱底應(yīng)滿足四個要求：吸熱快、 儲熱多、熱阻小及去熱快。其中除熱材料似乎與散熱快慢無關(guān)，但是因有“保護(hù)功能”而不能漠視。表2 列出吸熱底設(shè)計的四項要求及作法。表2吸熱底的四項要求及作法破環(huán)謨式 I機橫成力熱應(yīng)力接點漁受闌性破蚌 主要固定環(huán)溫與FHxUik）次要倒定環(huán)混與跳S3 寇勞浙近塘壞失放次程I溫度禪環(huán)與推，拉、HP主業(yè)溫度循環(huán)與思豚冷縮）4.2熱管理產(chǎn)業(yè)的發(fā)展電力電子的熱管理產(chǎn)業(yè)，從系統(tǒng)總熱阻的模式看出，是由上游的發(fā)熱體零組件、散熱體零組件、中游的 電源模塊、電力電子系統(tǒng)及下游的系統(tǒng)廠商、渠道廠商等組成。在上游還可追溯零組件的材料，在下游也 可延伸到回收及再利用的處理。國際管理大師Michael E. Porter的價值鏈及“五力分析”可以幫助電力電子系統(tǒng)的各級廠商思考如何 提升各自的競爭優(yōu)勢以攫取外在的機會與消除外在的威脅。價值鏈帶來的意義提醒產(chǎn)業(yè)中的每一個企業(yè)都應(yīng)該在設(shè)計、生產(chǎn)、