电子设备中半导体元器件的热设计
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。


01
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。

 

 

02
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。


03
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)。


04
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。

 

 

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。