隨著家庭、辦公室和車輛中高功率電子設備應用的持續成長，推動著走向新材料和更高效率電源元件的發展趨勢。電子設備中電源密度的急劇成長，使得不斷縮小的體積已經導致了更多的過熱問題。簡單來說，這些更熱、更高密度的電源PCB板需要更強大、更可靠的熱管理。
高功率、高溫的應用帶來了對高功率電子系統更大的需求，也導致了元件因長期暴露在各種惡劣環境中出現故障，從而引起潛在的多種嚴重過熱問題的可能性。因此，現在大多數工業電子和消費電子裝置中採用了熱保護元件，以提高可靠性和安全性。
在進行熱管理設計時，這些電阻和電容負載、功率電容、電流驅動器、開關、繼電器和場效晶體所產生的熱量為工程師帶來了重大的挑戰。IGBT具有類似場效晶體的開關特性，而且高電流、高電壓的雙極晶體管(BJTs)也常常是發熱元件，它可以在諸如機車牽引電動機和混合動力車輛的開關電源(SMPS)、高壓電源和開關應用中發現。
提高功率元件性能、使用散熱更加均勻的設計技術、以及使用新的散熱片材料是建議可用於增強熱管理性能的一些解決方案。不過，許多設計者目前仍依賴二級保護元件來阻止因功率元件故障或腐蝕導致過熱而產生的熱失控。
有些技術, 可以設計在過熱事件發生時保護產品的應用和使用者，當功率元件溫度熱到其額定跳閘溫度時會將電流中斷。最常見的方法是使用熱熔保險絲/熱切斷（TCO）或者熱開關；兩種元件為設計工程師在直流和交流應用中都提供了廣泛和特定的溫度啟動特性。它們的外觀和安裝包括螺栓型、夾子安裝座、引接線和插件型等格式，這些形狀在設計和製造工藝引起複雜的情況，並需要小心處理常式，以保證保護元件在組裝過程中不被損壞。
因為越來越多的印刷電路板(PCB)只使用表面黏著元件 (SMD)，而使用通孔元件則意味著需要專門的安裝工藝和更高的成本。此外，標準元件可能無法提供工業應用所需的堅固性和可靠性；而且經過認證,能夠用於汽車和工業環境的元件,都須經過了完整的測試，以滿足嚴格的衝擊和振動規範要求。
新的可回流焊熱保護(RTP)表面黏著元件，有助於防止功率電子元件故障所引起的熱損壞。該元件有助於防止由I2R發熱特性的電阻性短路所造成的損壞，以及短路過流情況。此元件可以使用標準的無鉛回流焊工藝，並可以代替在汽車和工業電子設計中普遍使用的各種冗餘功率場效應晶体管、繼電器及大量的熱量感應器。
功率場效晶體的二次保護
儘管各種功率場效晶體越來越耐用，但是超出其額定值後它們很容易非常快地出現故障。如果超過功率場效晶體的最大工作電壓，那麼它就會被崩潰擊穿。如果瞬態電壓所包含的能量高於額定雪崩擊穿能量水準，那麼該元件將損壞；並形成破壞性熱事件，最終可能導致元件冒煙、起火或者脫焊。
與那些安裝在相對溫和應用中的元件相比，汽車和工業功率場效晶體更容易出現疲損和故障。透過比較一段時間內的功率場效應晶體故障率資料，我們發現用於嚴苛環境中的元件的百萬分率故障率更高。在實地使用五年後，這種差距可達10倍以上。
儘管一個功率場效晶體可能通過了最初測試，但是實驗證明在某些條件下，該元件中的隨機薄弱環節可能導致其在現場應用出現故障。即使功率場效晶體在規定工作條件中運行的情況下，也發現過因電阻值變化而出現隨機、不可預測的阻性短路。
阻性模式故障尤其值得關注，這不僅僅是對於功率場效晶體而言，對於印製電路板也一樣。僅僅10W 的功率就可能產生溫度在 180攝氏度以上的局部熱點，遠遠高於135°C印製電路板的典型玻璃化轉變溫度，其可造成電路板的環氧結構損壞，並產生熱事件。
圖1 說明了一個出現故障的功率場效晶體可能並不會產生完全短路的過流情況，而是產生阻性短路，因此透過I2R發熱造成不安全的溫度。在這種情況下，所形成的電流可能並沒有高到使一個標準保險絲熔斷，並阻止印製電路板上的熱失控。
圖1、阻性模式下的功率場效晶體故障可能形成不安全的溫度情況
當某個功率元件故障或電路板缺陷形成不安全的過溫情況時，一款二次保護元件將可用於中斷電流，並防止熱失控情況的發生。如圖2所示，當RTP元件在場效晶體附近的電源線上串聯時，它會追蹤場效晶體溫度，並在緩慢的熱失控情況在電路板上形成非期待的過熱情況之前斷開電路。
圖2、在慢性熱失控情況下，RTP元件會跟蹤功率場效晶體溫度，直到它在200°C時斷開電路
工作原理
為了使其在實際應用中於 200 °C時斷開電路，RTP元件使用了一種一次性電子啟動程式以使其具有熱敏特徵。在啟動前，RTP 元件能進行三次無鉛焊料回流焊而不會斷開電路。進行電子啟動的時機由使用者決定，可在系統上電或系統測試時自動進行。
RTP元件的 200°C開路溫度，能夠有助於防止假啟動，並提高系統的可靠性，因為200°C是一個高於大部分電子元件正常工作溫度範圍的值，同時卻又低於常見無鉛焊料的熔點。因此，周圍的其它元件在各自的額定溫度範圍內工作時，RTP元件將不會斷開；但在元件脫開焊接並帶來額外短路的潛在危險之前，它將斷開。
安裝建議
RTP元件和熱源之間的熱傳導性主要取決於PCB的佈局、散熱片結構以及周圍相關元元件的設計佈置。當使用於一塊四層的PCB上時，與潛在的熱源緊密熱接觸是實現期望的性能的關鍵點。這時RTP元件的PTH針腳必須與主要的熱針腳或功率場效晶體的散熱片或保護元件分享同一個銅焊接面。
圖3. FR4安裝的電路板佈線建議
為達到最優的熱耦合,電路板佈線建議如圖3所示及以下所述:
*RTP元件的PTH 板必須安裝在盡量靠近功率場效應管功率場效晶體散熱片的地方
*盡量用一根厚而寬的銅線路將 PTH的接觸面連接到場效晶體散熱器
*其它銅線層不應直接置於PTH接觸面下面，如可能，把其它銅線層拉開遠離RTP元件的PTH面。這些其他銅線層將分散RTP的熱量並減低其熱敏感度。
*盡量將頂層的“冷卻”線路遠離 RTP元件的PTH的接觸面
在一個絕緣金屬基底（IMS）層設計中，彈性將隨著熱傳導提升而更受關注。在高功率、高密度設計中，RTP元件可以安裝在離功率元元件10cm遠的位置，如圖4所示。
圖4. IMS基板的電路板佈線建議
圖5顯示在一個IMS結構上RTP元件被安裝在離功率場效晶體10cm處時的性能，即使兩個元件之間的有10cm的距離，失效的場效晶體和RTP元件之間的熱梯度大約為40°C。
圖5. IMS結構的RTP性能
總結
RTP 元件可幫助汽車功率電子系統滿足可靠性要求，其應用包括冷卻扇、ABS、電動助力轉向模組、DC/DC 轉換器和PTC 加熱片等。該元件也可保護IT伺服器、通訊電源、LED 照明系統以及電器中的功率元件。
使用工業標準的貼片和無鉛回流焊設備可以快速方便地安裝這種表面黏著元件，並且這種元件可以承受峰值溫度遠超200℃的多次回流焊工藝。在實際應用中，當檢測到溫度超過200℃時，它就會切斷電流。
RTP的熱敏特徵是非常有用的，因為在某些情況下，故障功率元件並不會形成完全短路的過流條件，而是形成不會導致傳統熔絲熔斷的阻性短路。此類事件實際上還可能降低負載電流，但仍會產生不安全的熱失控情況。RTP元件可防止因硬短路和阻性短路情形而造成的損壞。
高功率、高溫的應用帶來了對高功率電子系統更大的需求，也導致了元件因長期暴露在各種惡劣環境中出現故障，從而引起潛在的多種嚴重過熱問題的可能性。因此，現在大多數工業電子和消費電子裝置中採用了熱保護元件，以提高可靠性和安全性。
在進行熱管理設計時，這些電阻和電容負載、功率電容、電流驅動器、開關、繼電器和場效晶體所產生的熱量為工程師帶來了重大的挑戰。IGBT具有類似場效晶體的開關特性，而且高電流、高電壓的雙極晶體管(BJTs)也常常是發熱元件，它可以在諸如機車牽引電動機和混合動力車輛的開關電源(SMPS)、高壓電源和開關應用中發現。
提高功率元件性能、使用散熱更加均勻的設計技術、以及使用新的散熱片材料是建議可用於增強熱管理性能的一些解決方案。不過，許多設計者目前仍依賴二級保護元件來阻止因功率元件故障或腐蝕導致過熱而產生的熱失控。
有些技術, 可以設計在過熱事件發生時保護產品的應用和使用者，當功率元件溫度熱到其額定跳閘溫度時會將電流中斷。最常見的方法是使用熱熔保險絲/熱切斷（TCO）或者熱開關；兩種元件為設計工程師在直流和交流應用中都提供了廣泛和特定的溫度啟動特性。它們的外觀和安裝包括螺栓型、夾子安裝座、引接線和插件型等格式，這些形狀在設計和製造工藝引起複雜的情況，並需要小心處理常式，以保證保護元件在組裝過程中不被損壞。
因為越來越多的印刷電路板(PCB)只使用表面黏著元件 (SMD)，而使用通孔元件則意味著需要專門的安裝工藝和更高的成本。此外，標準元件可能無法提供工業應用所需的堅固性和可靠性；而且經過認證,能夠用於汽車和工業環境的元件,都須經過了完整的測試，以滿足嚴格的衝擊和振動規範要求。
新的可回流焊熱保護(RTP)表面黏著元件，有助於防止功率電子元件故障所引起的熱損壞。該元件有助於防止由I2R發熱特性的電阻性短路所造成的損壞，以及短路過流情況。此元件可以使用標準的無鉛回流焊工藝，並可以代替在汽車和工業電子設計中普遍使用的各種冗餘功率場效應晶体管、繼電器及大量的熱量感應器。
功率場效晶體的二次保護
儘管各種功率場效晶體越來越耐用，但是超出其額定值後它們很容易非常快地出現故障。如果超過功率場效晶體的最大工作電壓，那麼它就會被崩潰擊穿。如果瞬態電壓所包含的能量高於額定雪崩擊穿能量水準，那麼該元件將損壞；並形成破壞性熱事件，最終可能導致元件冒煙、起火或者脫焊。
與那些安裝在相對溫和應用中的元件相比，汽車和工業功率場效晶體更容易出現疲損和故障。透過比較一段時間內的功率場效應晶體故障率資料，我們發現用於嚴苛環境中的元件的百萬分率故障率更高。在實地使用五年後，這種差距可達10倍以上。
儘管一個功率場效晶體可能通過了最初測試，但是實驗證明在某些條件下，該元件中的隨機薄弱環節可能導致其在現場應用出現故障。即使功率場效晶體在規定工作條件中運行的情況下，也發現過因電阻值變化而出現隨機、不可預測的阻性短路。
阻性模式故障尤其值得關注，這不僅僅是對於功率場效晶體而言，對於印製電路板也一樣。僅僅10W 的功率就可能產生溫度在 180攝氏度以上的局部熱點，遠遠高於135°C印製電路板的典型玻璃化轉變溫度，其可造成電路板的環氧結構損壞，並產生熱事件。
圖1 說明了一個出現故障的功率場效晶體可能並不會產生完全短路的過流情況，而是產生阻性短路，因此透過I2R發熱造成不安全的溫度。在這種情況下，所形成的電流可能並沒有高到使一個標準保險絲熔斷，並阻止印製電路板上的熱失控。
圖1、阻性模式下的功率場效晶體故障可能形成不安全的溫度情況
當某個功率元件故障或電路板缺陷形成不安全的過溫情況時，一款二次保護元件將可用於中斷電流，並防止熱失控情況的發生。如圖2所示，當RTP元件在場效晶體附近的電源線上串聯時，它會追蹤場效晶體溫度，並在緩慢的熱失控情況在電路板上形成非期待的過熱情況之前斷開電路。
圖2、在慢性熱失控情況下，RTP元件會跟蹤功率場效晶體溫度，直到它在200°C時斷開電路
工作原理
為了使其在實際應用中於 200 °C時斷開電路，RTP元件使用了一種一次性電子啟動程式以使其具有熱敏特徵。在啟動前，RTP 元件能進行三次無鉛焊料回流焊而不會斷開電路。進行電子啟動的時機由使用者決定，可在系統上電或系統測試時自動進行。
RTP元件的 200°C開路溫度，能夠有助於防止假啟動，並提高系統的可靠性，因為200°C是一個高於大部分電子元件正常工作溫度範圍的值，同時卻又低於常見無鉛焊料的熔點。因此，周圍的其它元件在各自的額定溫度範圍內工作時，RTP元件將不會斷開；但在元件脫開焊接並帶來額外短路的潛在危險之前，它將斷開。
安裝建議
RTP元件和熱源之間的熱傳導性主要取決於PCB的佈局、散熱片結構以及周圍相關元元件的設計佈置。當使用於一塊四層的PCB上時，與潛在的熱源緊密熱接觸是實現期望的性能的關鍵點。這時RTP元件的PTH針腳必須與主要的熱針腳或功率場效晶體的散熱片或保護元件分享同一個銅焊接面。
圖3. FR4安裝的電路板佈線建議
為達到最優的熱耦合,電路板佈線建議如圖3所示及以下所述:
*RTP元件的PTH 板必須安裝在盡量靠近功率場效應管功率場效晶體散熱片的地方
*盡量用一根厚而寬的銅線路將 PTH的接觸面連接到場效晶體散熱器
*其它銅線層不應直接置於PTH接觸面下面，如可能，把其它銅線層拉開遠離RTP元件的PTH面。這些其他銅線層將分散RTP的熱量並減低其熱敏感度。
*盡量將頂層的“冷卻”線路遠離 RTP元件的PTH的接觸面
在一個絕緣金屬基底（IMS）層設計中，彈性將隨著熱傳導提升而更受關注。在高功率、高密度設計中，RTP元件可以安裝在離功率元元件10cm遠的位置，如圖4所示。
圖4. IMS基板的電路板佈線建議
圖5顯示在一個IMS結構上RTP元件被安裝在離功率場效晶體10cm處時的性能，即使兩個元件之間的有10cm的距離，失效的場效晶體和RTP元件之間的熱梯度大約為40°C。
圖5. IMS結構的RTP性能
總結
RTP 元件可幫助汽車功率電子系統滿足可靠性要求，其應用包括冷卻扇、ABS、電動助力轉向模組、DC/DC 轉換器和PTC 加熱片等。該元件也可保護IT伺服器、通訊電源、LED 照明系統以及電器中的功率元件。
使用工業標準的貼片和無鉛回流焊設備可以快速方便地安裝這種表面黏著元件，並且這種元件可以承受峰值溫度遠超200℃的多次回流焊工藝。在實際應用中，當檢測到溫度超過200℃時，它就會切斷電流。
RTP的熱敏特徵是非常有用的，因為在某些情況下，故障功率元件並不會形成完全短路的過流條件，而是形成不會導致傳統熔絲熔斷的阻性短路。此類事件實際上還可能降低負載電流，但仍會產生不安全的熱失控情況。RTP元件可防止因硬短路和阻性短路情形而造成的損壞。
