三种传热方式(热阻、器件热特性)

传热有三种方式:热传导、对流传热和辐射传热。在电子设备散热的过程中，这三种都在发生。三种传热方式传递的热量分别由以下公式计算。

傅里叶热传导公式:Q=A(Th-Tc)/

牛顿对流传热公式:Q = A(Tw-泰尔)

辐射的第四幂律:Q=5.67e-8*A(Th4-Tc4)

其中，，和分别为导热系数、对流传热系数和表面发射率，A为传热面积。

热传递的三种基本方式

热传导

当物体各部分之间没有相对位移时，分子、原子、自由电子等微观例子热运动产生的热量称为热传导。例如，固体内部的热传递和不同固体之间通过接触面的热传递都是热传导现象。热量主要通过热传导传递到芯片外壳的外部。

热传导过程中传递的热量根据傅立叶热传导定律计算:

Q=A(Th-Tc)/

其中包括:

a是垂直于传热方向的面积，单位为m2；

Th和Tc分别是高温和低温的温度，

是两个面之间的距离，以m为单位。

是材料的导热系数，单位为W/(m*℃)，表示材料的导热系数。一般来说，固体的导热系数大于液体，液体的导热系数大于气体。比如在室温下，纯铜的导热系数高达400 W/(m*℃)，纯铝的导热系数为236 W/(m*℃)，水的导热系数为0.6 W/(m*℃)，而空气体的导热系数仅为0.025W/(m*℃)左右。铝的导热性高，密度低，所以散热器基本都是铝合金材质。但是在一些大功率芯片散热中，为了提高散热性能，往往采用铝散热器嵌入铜块或铜散热器。

热对流

对流传热是指运动的流体在流经不同温度的固体表面时，与固体表面之间的热交换过程，是通信设备散热中应用最广泛的热交换方式。根据流动原因的不同，对流传热可分为强制对流传热和自然对流传热。前者是由泵、风扇或其他外部动力源引起的，而后者通常是由流体本身的不均匀温度场引起的不均匀密度场引起的，由此产生的浮力成为运动的原动力。

机柜中常用的风扇冷却和散热是最典型的强制对流传热。在最终产品中，主要是自然对流换热。自然对流散热分为大空自然对流(如终端外壳与外部空空气的热交换)和有限空自然对流(如终端内单板和终端内空空气)。值得注意的是，当端子外壳与单板之间的距离小于一定值时，无法形成自然对流。例如，手机的单板和外壳只以空气体为介质导热。

对流传热的热量是根据牛顿冷却定律计算的:

q = Ha(Tw-泰尔)

其中包括:

a是垂直于传热方向的面积，单位为m2；

Th和Tc分别是固体壁和流体的温度，

h为对流换热系数，自然对流时在1 ~ 10w/(℃* m2)量级，实际应用中一般不超过3 ~ 5w/(℃* m2)；发生强制对流时，传热系数在10 ~ 100 W/(℃* m2)量级，实际应用中一般小于30W/(℃*m2)。

热辐射

辐射是通过电磁波传递能量的过程。热辐射是物体温度高于绝对零度时发射电磁波的过程。通过热辐射在两个物体之间传递热量被称为辐射热交换。物体的辐射力计算公式为:

E=5.67e-8T4

表面间热辐射的计算极其复杂，其中计算面积相同且相互面对的两个表面间辐射热交换的最简单公式是:

q = A * 5.67 e-8/(1/h+1/c-1)*(Th4-Tc4)

公式t指物体的绝对温度值=摄氏度温度值+273.15；是表面的黑度或发射率，取决于材料的种类、表面温度和表面状况，与外界条件或颜色无关。抛光铝面黑度为0.04，氧化铝面黑度为0.3，油漆面黑度为0.8，雪面黑度为0.8。

由于辐射换热不是线性的，当环境温度升高时，在终端温度与环境温差相同的情况下，会散发更多的热量。

塑料外壳表面喷漆，PWB表面绿油，表面黑度可达0.8，都有利于辐射散热。对于金属外壳，可以进行一些表面处理，以改善黑度和增强散热。

关于辐射散热最大的一个误区就是认为黑色可以增强热辐射，通常是通过散热器表面的黑色处理来促进的。事实上，当物体温度低于1800℃时，显著热辐射波长位于0.38 ~ 100米之间，大部分能量位于0.76~20m m的红外波段，在可见光波段，热辐射能量所占比例不大。颜色只与可见光吸收有关，与红外辐射无关。夏天，人们穿浅色衣服，以减少阳光中可见光辐射的吸收。因此，终端内部可以随意涂上各种颜色的油漆。

热阻的概念

转换热传导和对流传热公式；

傅里叶热传导公式:q = a (th-TC)/q = (th-TC)/[/(a)]

牛顿对流传热公式:Q = A(Tw-泰尔)Q =(Tw-泰尔)/(1/A)

在传热过程中，温差是过程的驱动力，类似于电中的电压，热交换的量是要传递的量，类似于电中的电流，所以上式中的分母可以理解为具有电中电阻概念的导热过程的电阻，称为热阻，单位为℃/W，其物理意义是传递1W的热量需要多大的温差。在热设计中将热阻标记为r或。/(A)为导热阻力，1/A为对流传热阻力。器件的Rjc和Rja热阻一般在器件的数据中提供，Rjc是结到器件外壳的导热系数；Rja是器件结壳导热系数和外壳与外部环境之间对流传热阻力的总和。这些热阻参数可以根据实验测试得到，也可以根据器件详细的内部结构计算得到。根据这些热阻参数和器件的热损失，可以计算出器件的结温。

事实上，两个名义上接触的固体表面之间的接触只发生在一些离散的面元上。非接触界面之间的间隙经常填充空气体，热量将通过热传导和辐射的方式穿过间隙层。与理想的真实接触相比，这种额外的传热电阻称为接触热阻。降低接触热阻的主要方法是增加接触压力，增加界面材料(如硅脂)填充的界面之间的空气体。说到导热，接触热阻的影响一定不能忽视，需要根据应用情况选择合适的导热界面材料，如导热硅脂、导热垫等。

器件的热特性

了解器件热阻

JEDEC芯片封装的热性能参数；

热阻参数

Ja，从结(即芯片)到空气体环境的热阻:ja=(Tj-Ta)/P

Jc，从结(即芯片)到封装外壳的热阻:jc=(Tj-Tc)/P

Jb，从接合点(即芯片)到PCB的热阻:jb=(Tj-Tb)/P

热性能参数

Jt，从结到封装顶部的热参数:jt =(Tj-Tt)/P

Jb，封装底部结的热参数:jb =(Tj-Tb)/P

TJ-芯片结温，℃

ta —空气体环境温度，℃

TB-芯片根部的PCB表面温度，℃

TT-芯片表面温度，℃

Ja热阻参数是封装的品质因数，而非特定应用。ja的正确应用只能是芯片封装的热性能质量参数(用于性能等级的比较)，不能应用于实际测试/分析中的结温预测分析。

自20世纪90年代以来，人们需要比ja更有价值的热参数供实际工程师预测芯片温度。为了满足这一要求，出现了三个新参数:jb、jt和jb。

Jb可以很好地应用于热分析中的结温分析。

Jt可以很好地应用于实际产品热测试中结温的预测。

Jc是从结到封装表面最接近结的点的热阻。Jc测量试图使热流“完全”通过包装外壳。

Jt与jc完全不同，它不是器件的热阻，而是一种数学结构，只是到TOP的结的热特性参数，因为不是所有的热量都通过封装的顶部散发出去。

实际上，jt根据芯片封装上表面的测试温度估算结温的参考值有限。

Jb:用于比较装在板上的芯片封装热性能的质量参数(M厄立特里亚图)针对的是2s2p PCB，不适用于板上热流不均匀的芯片封装。

Jb与jb有本质区别，JB > JB。与jt类似，jb是与PCB连接处的热特性参数。

典型器件封装的散热特性

1)标准操作程序包

普通SOP封装的散热性能很差。影响SOP封装散热的因素有外部因素和内部因素，其中内部因素是关键因素。影响散热的外部因素是器件引脚和PWB之间的热阻以及器件上表面和环境之间的对流散热阻力。内因是SOP封装本身的高传热电阻。SOP封装中有三种主要散热方式:

a、模具的热量通过模塑料传导到器件的上表面，然后对流散热，模塑料的低导热率影响传热。

b、芯片热量通过焊盘、封装材料和器件底面与PWB之间的空气体层，然后传递到PWB散热。低导热性包装材料和空气体层影响热传递。

c、管芯热量通过引线框传递到PWB，引线框和管芯之间有很细的金线，所以管芯和引线框之间有很大的热阻，限制了引脚散热。

2)增强的标准操作程序

该封装的特征在于，管芯以空腔朝上的方式布置，焊盘从封装的底部露出并焊接在PWB表面上；或者在焊盘底部焊接一个金属块，它暴露在封装底部，焊接在PWB表面。芯片的热量通过金属直接传递到PWB，消除了原封装材料和空气体层的热阻。

3)底部增强型散热SOP封装倒置

这种封装相当于将底部增强型散热SOP封装倒置在一块板上。由于芯片上表面暴露的焊盘面积较小，除了管芯温度均匀的功能外，直接散热的实际性能很差，一般需要与散热器结合来加强散热。如果芯片表面没有安装散热器，金属焊盘的主要功能是将芯片的热量扩散，然后传递到芯片内部的引脚，最后通过引脚将热量传递到PWB散热。金属焊盘在缩短芯片和引脚之间的传热电阻方面发挥作用。

4)PBGA

影响PBGA Rjc和Rja热阻的因素很多，重要程度依次为:

一、热球的数量

B.模具尺寸

C.基材的结构，包括铜皮的数量和厚度。

和管芯附着材料的热导率

E.金线直径

F.PWB的散热过孔数量。

其中，前五个因素与器件本身的设计有关，第六个因素与PWB设计有关。

5)TBGA包装结构

传热模式:

模具的热量传递到上表面的铜块上，部分热量通过铜块传递到环境中；此外，部分热量通过铜块依次传递到芯片的基板、焊球和PWB，然后通过PWB消散。

6)FCBGA

FC-BGA封装的热耗为1 ~ 6W时，可采用直接强制对流散热，Rja范围为8 ~ 12℃/W；当热耗为4 ~ 10w时，需加散热器加强散热，Rja范围为5 ~ 10℃/w；当热耗在8 ~ 25w时，需要适当风道的高端散热器来增强散热。

7)至

TO器件的散热往往需要较大的铜片，那么对于面积狭小的单板如何实现呢？

按重要性排序:

A.通路孔

B.单板的层结构(地层或动力层的位置)

C.地层或动力层铜皮厚度

E.衬垫厚度