MOS管散熱設計經驗分享圖文-KIA MOS管

MOSFET的失效很多都是由于過熱導致的，那么在選件選型，電路設計及PCB布局時就要格外注意應用情況和設計余量，確保MOSFET的Tj不會超過其最大值。

MOSFET散熱設計一定要注意的幾個經驗：

數據手冊中的熱阻值其實沒什么用

并不是散熱銅箔面積越大，散熱效果就會好

在元件正下方設置無電氣連接的銅箔對散熱也是有幫助的

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. 數據手冊中的熱阻值其實沒什么用

在數據手冊中通常會列出MOSFET 熱阻值Rth(j-a)和Rth(j-mb)

Rth(j-a): 指器件結點（die）到周圍環境的熱阻。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): 指器件結點到焊接襯底的熱阻。焊接襯底通常定義為焊接到 PCB 的點，也是唯一首要的熱傳導路徑。

但要注意的是，表格中給出的值是有測試條件的，如果不是一樣的測試條件，熱阻值將會不同。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，并且采用的是標準的焊盤封裝。

然而在實際的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材質的PCB，所以數據手冊中的數據是絕對不能直接應用在實際產品的溫度計算中的，而是要根據實際的電路消耗和PCB布局情況通過仿真或者測量的方式來獲得真實可信的溫度Tj數據。

2. 并不是散熱銅箔面積越大，散熱效果就會好

通過下面的仿真模型來看一看散熱銅箔面積與元件Tj的關系。

下面的仿真模型為一個MOSFET器件焊接在了尺寸為 40 x 40 mm，FR 4 材質的 PCB 上，元件下面的直接相接觸的銅箔為邊長x mm的正方形，周圍環境溫度為20°C。

經過擴大焊盤銅箔的邊長，不斷地進行Tj的仿真，繪制出下面的曲線。可以看出：

結點溫度Tj很大程度上依賴于邊長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. 在元件正下方設置無電氣連接的銅箔對散熱也是有幫助的

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。那么這時我們就可以將PCB板變為兩層板，并在元件的正下方添加相應的銅箔幫助散熱，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，在元件的正下方設置面積為25mm x 25mm的銅箔，通過變化頂層焊盤銅箔的面積，發現即使沒有電氣連接性的銅箔也是對散熱是有幫助的。

原因可以理解為熱是通過熱輻射的方式進行上下層之間的傳導的。

通過上面的仿真結果圖，當頂層元件密度較高時，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過孔才是最佳的方案。添加過孔時要考慮EMC和PCB成本兩個方面，做到與散熱性能的平衡。

EMC：考慮到EMC向外輻射及信號互相串擾的路徑，一般需要PCB中有一層完整的地平面用來屏蔽，但過孔的增加勢必會將破壞地平面的整體性。

PCB成本：每一個過孔都是由鉆頭鉆出來的，所以會增加PCB制作的成本。

上面的仿真結果圖表明了從器件下面無過孔到器件下面有 20 個過孔，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至第四層，其結果同預料的完全一致。

但也可以發現，盡管在器件下面逐步增加了過孔的個數（由20增加到了77個）卻沒有導致Tj額外的降溫。這是因為我們加入更多的過孔，雖然使得 PCB 板的層與層之間的熱傳導增加，但同時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。因此結論是通過加入過孔可以提高散熱性能，但繼續加入過多的過孔，對散熱性能不會有明顯的提升。

5. 元件以外的溫度影響不容忽視

MOSFET結合點溫度Tj是由自身發熱所產生的溫度和環境溫度共同組成的。

想辦法更好地散熱的同時也要注意到元件以外的溫度，如：

產品所在的環境溫度：一般為客戶需求，不能更改。

元件周圍是否有其他高功率，大發熱量的器件：這會通過熱輻射的方式來提升元件周圍的溫度，造成理論設計計算中考慮不到的失效。

增加空氣對流散熱方式：產品是否可以加入風扇來加快空氣流動，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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