热阻和散热的基础知识

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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

热

电流 I（A）	电压差 ⊿V（V）	电阻 R（Ω）
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。

传热和散热路径

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。

传导中的热阻

热传导是指物质间、分子间的热能移动。这种传导方式的热阻如下图和公式所示。

从图中可以看出，截面积为A、长度为L的物质一端的温度T1通过传导变为温度T2。

第一个公式表示T1和T2之间的温度差是用红色虚线围起来的项乘以热流量P得到的值。

最下面的公式表示用红色虚线围起来的项相当于热阻Rth。

从上图和公式中的各个项看，应该可以很容易理解，传导中的热阻基本上与导体的薄层电阻思路相同。众所周知，薄层电阻可以通过用电阻率代替红色虚线框中的热导率来计算。正如电阻率对于不同的导体材料具有固有的值一样，热导率也是如此。

从热阻公式来看，传导中的热阻随着物体截面积的增加或长度的缩短而下降。

用来求得（T1-T2）的公式，最终变为热阻Rth × 热流量P，符合在“什么是热阻？”一文中提到的“热欧姆定律”。

什么是对流？

对流有几种类型，先来了解一下术语及其定义。另外，下面还给出了对流示意图。

流体	气体和液体等流动的物质
对流	通过接收到热量的流体的移动来传递热量的换热现象 ※在没有流体的状态（真空）下，无法预期对流引起的热传递
自然对流	仅由流体的温差产生的浮力驱动的流体运动
强制对流	由风扇和泵体等外力驱动的流体运动

对流中的热阻

下面是表示对流热阻的公式。

对流中的热阻是对流传热系数hm与发热物体的表面积A乘积的倒数。从公式中可以看出，对流换热热阻随着物体表面积的增加而减小。

对流传热系数hm因对流类型而异。上面还分别给出了自然对流和强制对流（层流和湍流）的hm。

什么是辐射？
辐射是通过电磁波来传递热量的方式。其机理与通过分子传递热量的传导和对流的机理不同。即使在没有物体或流体的真空中也可以传递热量。
辐射中的热阻
下面是表示辐射热阻的公式。

辐射热阻是辐射传热系数与发热体表面积之积的倒数。从公式可以看出，物体的表面积、温度和辐射率均会影响辐射热阻。

审核编辑 黄宇