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元器件熱設計:熱阻和散熱
的基礎知識
現(xiàn)在讓我們進入熱設計相關的技術話題。熱設計所需的知識涵蓋了廣泛的領域。首先介紹一下至少需要了解的熱阻和散熱基礎知識。什么是熱阻熱阻是表示熱量傳遞難易程度的數(shù)值。是任意兩點之間的溫度差除以兩點之間流動的熱流量(單位時間內(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。T1— —?GT2熱流量P熱阻的符號為Rth和。。Rth來源于熱阻的英文表達“thermalresistance”。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考慮熱阻,并且可以以與歐姆定律相同的方式來處理熱計算的基本公式。電氣電流1(A)電壓差電氣電流1(A)電壓差,V(V)電阻R(。)熱熱流量P(W)溫度差,T(℃)熱阻Rth(℃/W)因此,就像可以通過RXI來求出電位差力V一樣,可以通過RthXP來求出溫度差力T。關鍵要點:?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。,單位為℃/W(K/W)??梢杂门c電阻大致相同的思路來考慮熱阻。熱量通過物體和空間傳遞。傳遞是指熱量從熱源轉移到他處。三種熱傳遞形式熱傳遞主要有三種形式:傳導、對流和輻射。傳導:由熱能引起的分子運動被傳播到相鄰分子。對流:通過空氣和水等流體進行的熱轉移輻射:通過電磁波釋放熱能散熱路徑產(chǎn)生的熱量通過傳導、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“半導體元器件的熱設計”,因此在這里將以安裝在印刷電路板上的IC為例進行說明。熱源是IC芯片。該熱量會傳導至封裝、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??梢允褂脽嶙璞硎救缦拢骸龆痰恼枚鹜撸≒CB表面貼話時)■短的彰娥瓦(PCB表面貼話時)上圖右上方的式截面圖中,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J通過電路網(wǎng)中所示的熱阻達到環(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,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)傳導至背面框架(焊盤),然后通過印刷電路板上的焊料傳導至印刷電路板。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現(xiàn)對流和輻射的路徑,以及從芯片通過封裝來實現(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,則可以通過上一篇文章給出的熱歐姆定律來計算溫度差(在這里為TA和TJ之間的差)。就如本文所講的,所謂的“熱設計”,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。關鍵要點
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