元器件热设计：热阻和散热的基础知识
时间：2021-08-07 17:04:48
[导读]现在让我们进入热设计相关的技术话题。热设计所需的知识涵盖了广泛的领域。首先介绍一下至少需要了解的热阻和散热基础知识。什么是热阻热阻是表示热量传递难易程度的数值。是任意两点之间的温度差除以两点之间流动的热流量（单位时间内流动的热量）而获得的值。热阻值高意味着热量难以传递，而热阻值低...
现在让我们进入热设计相关的技术话题。热设计所需的知识涵盖了广泛的领域。首先介绍一下至少需要了解的热阻和散热基础知识。
什么是热阻
热阻是表示热量传递难易程度的数值。是任意两点之间的温度差除以两点之间流动的热流量（单位时间内流动的热量）而获得的值。热阻值高意味着热量难以传递，而热阻值低意味着热量易于传递。
热阻的符号为Rth和θ。Rth来源于热阻的英文表达“thermal resistance”。
单位是℃/W（K/W）。
热欧姆定律
因此，就像可以通过R×I来求出电位差⊿V一样，可以通过Rth×P来求出温度差⊿T。
关键要点:
・热阻是表示热量传递难易程度的数值。
・热阻的符号为Rth和θ，单位为℃/W（K/W）。
・可以用与电阻大致相同的思路来考虑热阻。
热量通过物体和空间传递。传递是指热量从热源转移到他处。
三种热传递形式
热传递主要有三种形式：传导、对流和辐射。
・传导：由热能引起的分子运动被传播到相邻分子。
・对流：通过空气和水等流体进行的热转移
・辐射：通过电磁波释放热能
散热路径
产生的热量通过传导、对流和辐射的方式经由各种路径逸出到大气中。由于我们的主题是“半导体元器件的热设计”，因此在这里将以安装在印刷电路板上的IC为例进行说明。
热源是IC芯片。该热量会传导至封装、引线框架、焊盘和印刷电路板。热量通过对流和辐射从印刷电路板和IC封装表面传递到大气中。可以使用热阻表示如下：
上图右上方的IC截面图中，每个部分的颜色与电路网圆圈的颜色相匹配（例如芯片为红色）。芯片温度TJ通过电路网中所示的热阻达到环境温度TA。
采用表面安装的方式安装在印刷电路板（PCB）上时，红色虚线包围的路径是主要的散热路径。具体而言，热量从芯片经由键合材料（芯片与背面露出框架之间的粘接剂）传导至背面框架（焊盘），然后通过印刷电路板上的焊料传导至印刷电路板。然后，该热量通过来自印刷基板的对流和辐射传递到大气中（TA）。
其他途径还包括从芯片通过键合线传递到引线框架、再传递到印刷基板来实现对流和辐射的路径，以及从芯片通过封装来实现对流和辐射的路径。
如果知道该路径的热阻和IC的功率损耗，则可以通过上一篇文章给出的热欧姆定律来计算温度差（在这里为TA和TJ之间的差）。
就如本文所讲的，所谓的“热设计”，就是努力减少各处的热阻，即减少从芯片到大气的散热路径的热阻， 最终TJ降低并且可靠性提高。
关键要点:
・热阻是表示热量传递难易程度的数值。
・热阻的符号为Rth和θ，单位为℃/W（K/W）。
・可以用与电阻大致相同的思路来考虑热阻。
什么是热阻
热阻是表示热量传递难易程度的数值。是任意两点之间的温度差除以两点之间流动的热流量（单位时间内流动的热量）而获得的值。热阻值高意味着热量难以传递，而热阻值低意味着热量易于传递。
热阻的符号为Rth和θ。Rth来源于热阻的英文表达“thermal resistance”。
单位是℃/W（K/W）。
热欧姆定律
可以用与电阻几乎相同的思路来考虑热阻，并且可以以与欧姆定律相同的方式来处理热计算的基本公式。
| 电气 | 电流 I（A） | 电压差 ⊿V（V） | 电阻 R（Ω） |
| 热 | 热流量 P（W） | 温度差 ⊿T（℃） | 热阻 Rth（℃/W） |
因此，就像可以通过R×I来求出电位差⊿V一样，可以通过Rth×P来求出温度差⊿T。
关键要点:
・热阻是表示热量传递难易程度的数值。
・热阻的符号为Rth和θ，单位为℃/W（K/W）。
・可以用与电阻大致相同的思路来考虑热阻。
热量通过物体和空间传递。传递是指热量从热源转移到他处。
三种热传递形式
热传递主要有三种形式：传导、对流和辐射。
・传导：由热能引起的分子运动被传播到相邻分子。
・对流：通过空气和水等流体进行的热转移
・辐射：通过电磁波释放热能
散热路径
产生的热量通过传导、对流和辐射的方式经由各种路径逸出到大气中。由于我们的主题是“半导体元器件的热设计”，因此在这里将以安装在印刷电路板上的IC为例进行说明。
热源是IC芯片。该热量会传导至封装、引线框架、焊盘和印刷电路板。热量通过对流和辐射从印刷电路板和IC封装表面传递到大气中。可以使用热阻表示如下：
上图右上方的IC截面图中，每个部分的颜色与电路网圆圈的颜色相匹配（例如芯片为红色）。芯片温度TJ通过电路网中所示的热阻达到环境温度TA。
采用表面安装的方式安装在印刷电路板（PCB）上时，红色虚线包围的路径是主要的散热路径。具体而言，热量从芯片经由键合材料（芯片与背面露出框架之间的粘接剂）传导至背面框架（焊盘），然后通过印刷电路板上的焊料传导至印刷电路板。然后，该热量通过来自印刷基板的对流和辐射传递到大气中（TA）。
其他途径还包括从芯片通过键合线传递到引线框架、再传递到印刷基板来实现对流和辐射的路径，以及从芯片通过封装来实现对流和辐射的路径。
如果知道该路径的热阻和IC的功率损耗，则可以通过上一篇文章给出的热欧姆定律来计算温度差（在这里为TA和TJ之间的差）。
就如本文所讲的，所谓的“热设计”，就是努力减少各处的热阻，即减少从芯片到大气的散热路径的热阻， 最终TJ降低并且可靠性提高。
关键要点:
・热阻是表示热量传递难易程度的数值。
・热阻的符号为Rth和θ，单位为℃/W（K/W）。
・可以用与电阻大致相同的思路来考虑热阻。
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