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電子設(shè)備中半導(dǎo)體元器件的熱設(shè)計(jì)

熱量通過物體和空間傳遞。傳遞是指熱量從熱源轉(zhuǎn)移到他處。

01 三種熱傳遞形式

熱傳遞主要有三種形式：傳導(dǎo)、對流和輻射。

傳導(dǎo)：由熱能引起的分子運(yùn)動被傳播到相鄰分子。

對流：通過空氣和水等流體進(jìn)行的熱轉(zhuǎn)移。

輻射：通過電磁波釋放熱能。

02 散熱路徑

產(chǎn)生的熱量通過傳導(dǎo)、對流和輻射的方式經(jīng)由各種路徑逸出到大氣中。由于我們的主題是“半導(dǎo)體元器件的熱設(shè)計(jì)”，因此在這里將以安裝在印刷電路板上的IC為例進(jìn)行說明。

熱源是IC芯片。該熱量會傳導(dǎo)至封裝、引線框架、焊盤和印刷電路板。熱量通過對流和輻射從印刷電路板和IC封裝表面?zhèn)鬟f到大氣中。可以使用熱阻表示如下：

上圖右上方的IC截面圖中，每個部分的顏色與電路網(wǎng)圓圈的顏色相匹配（例如芯片為紅色）。芯片溫度TJ通過電路網(wǎng)中所示的熱阻達(dá)到環(huán)境溫度TA。

采用表面安裝的方式安裝在印刷電路板（PCB）上時(shí)，紅色虛線包圍的路徑是主要的散熱路徑。

具體而言，熱量從芯片經(jīng)由鍵合材料（芯片與背面露出框架之間的粘接劑）傳導(dǎo)至背面框架（焊盤），然后通過印刷電路板上的焊料傳導(dǎo)至印刷電路板。然后，該熱量通過來自印刷基板的對流和輻射傳遞到大氣中（TA）。

其他途徑還包括從芯片通過鍵合線傳遞到引線框架、再傳遞到印刷基板來實(shí)現(xiàn)對流和輻射的路徑，以及從芯片通過封裝來實(shí)現(xiàn)對流和輻射的路徑。

如果知道該路徑的熱阻和IC的功率損耗，則可以通過熱歐姆定律來計(jì)算溫度差（在這里為TA和TJ之間的差）。

就如本文所講的，所謂的“熱設(shè)計(jì)”，就是努力減少各處的熱阻，即減少從芯片到大氣的散熱路徑的熱阻， 最終TJ降低并且可靠性提高。

03 什么是熱阻

熱阻是表示熱量傳遞難易程度的數(shù)值。是任意兩點(diǎn)之間的溫度差除以兩點(diǎn)之間流動的熱流量（單位時(shí)間內(nèi)流動的熱量）而獲得的值。熱阻值高意味著熱量難以傳遞，而熱阻值低意味著熱量易于傳遞。

熱阻的符號為Rth和θ。Rth來源于熱阻的英文表達(dá)“thermal resistance”。

單位是℃/W（K/W）。

04 熱歐姆定律

可以用與電阻幾乎相同的思路來考慮熱阻，并且可以以與歐姆定律相同的方式來處理熱計(jì)算的基本公式。

因此，就像可以通過R×I來求出電位差⊿V一樣，可以通過Rth×P來求出溫度差⊿T。

關(guān)鍵要點(diǎn)：

熱阻是表示熱量傳遞難易程度的數(shù)值。

熱阻的符號為Rth和θ，單位為℃/W（K/W）。

可以用與電阻大致相同的思路來考慮熱阻。