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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(dòng)的熱流量（單位時(shí)間內(nèi)流動(dòng)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(hào)為Rth和θ。Rth來(lái)源于熱阻的英文表達(dá)“thermal resistance”。

單位是℃/W（K/W）。

熱歐姆定律

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

電氣

熱

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

傳熱和散熱路徑

熱量通過(guò)物體和空間傳遞。傳遞是指熱量從熱源轉(zhuǎn)移到他處。

三種熱傳遞形式

熱傳遞主要有三種形式：傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射。

?傳導(dǎo)：由熱能引起的分子運(yùn)動(dòng)被傳播到相鄰分子。
?對(duì)流：通過(guò)空氣和水等流體進(jìn)行的熱轉(zhuǎn)移
?輻射：通過(guò)電磁波釋放熱能

散熱路徑

產(chǎn)生的熱量通過(guò)傳導(dǎo)、對(duì)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(shuō)明。

熱源是IC芯片。該熱量會(huì)傳導(dǎo)至封裝、引線框架、焊盤和印刷電路板。熱量通過(guò)對(duì)流和輻射從印刷電路板和IC封裝表面?zhèn)鬟f到大氣中?？梢允褂脽嶙璞硎救缦拢?/p>

上圖右上方的IC截面圖中，每個(gè)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(guò)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(guò)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(guò)來(lái)自印刷基板的對(duì)流和輻射傳遞到大氣中（TA）。

其他途徑還包括從芯片通過(guò)鍵合線傳遞到引線框架、再傳遞到印刷基板來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)流和輻射的路徑，以及從芯片通過(guò)封裝來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)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(guò)上一篇文章給出的熱歐姆定律來(lái)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?gòu)男酒酱髿獾纳崧窂降臒嶙瑁?最終TJ降低并且可靠性提高。

傳導(dǎo)中的熱阻

熱傳導(dǎo)是指物質(zhì)間、分子間的熱能移動(dòng)。這種傳導(dǎo)方式的熱阻如下圖和公式所示。

從圖中可以看出，截面積為A、長(zhǎng)度為L(zhǎng)的物質(zhì)一端的溫度T1通過(guò)傳導(dǎo)變?yōu)闇囟萒2。

第一個(gè)公式表示T1和T2之間的溫度差是用紅色虛線圍起來(lái)的項(xiàng)乘以熱流量P得到的值。

最下面的公式表示用紅色虛線圍起來(lái)的項(xiàng)相當(dāng)于熱阻Rth。

從上圖和公式中的各個(gè)項(xiàng)看，應(yīng)該可以很容易理解，傳導(dǎo)中的熱阻基本上與導(dǎo)體的薄層電阻思路相同。眾所周知，薄層電阻可以通過(guò)用電阻率代替紅色虛線框中的熱導(dǎo)率來(lái)計(jì)算。正如電阻率對(duì)于不同的導(dǎo)體材料具有固有的值一樣，熱導(dǎo)率也是如此。

從熱阻公式來(lái)看，傳導(dǎo)中的熱阻隨著物體截面積的增加或長(zhǎng)度的縮短而下降。

用來(lái)求得（T1-T2）的公式，最終變?yōu)闊嶙鑂th × 熱流量P，符合在“什么是熱阻？”一文中提到的“熱歐姆定律”。

什么是對(duì)流？

對(duì)流有幾種類型，先來(lái)了解一下術(shù)語(yǔ)及其定義。另外，下面還給出了對(duì)流示意圖。

對(duì)流中的熱阻

下面是表示對(duì)流熱阻的公式。

對(duì)流中的熱阻是對(duì)流傳熱系數(shù)hm與發(fā)熱物體的表面積A乘積的倒數(shù)。從公式中可以看出，對(duì)流換熱熱阻隨著物體表面積的增加而減小。

對(duì)流傳熱系數(shù)hm因?qū)α黝愋投悺Ｉ厦孢€分別給出了自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流（層流和湍流）的hm。

什么是輻射？
輻射是通過(guò)電磁波來(lái)傳遞熱量的方式。其機(jī)理與通過(guò)分子傳遞熱量的傳導(dǎo)和對(duì)流的機(jī)理不同。即使在沒(méi)有物體或流體的真空中也可以傳遞熱量。
輻射中的熱阻
下面是表示輻射熱阻的公式。

輻射熱阻是輻射傳熱系數(shù)與發(fā)熱體表面積之積的倒數(shù)。從公式可以看出，物體的表面積、溫度和輻射率均會(huì)影響輻射熱阻。

審核編輯 黃宇