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2021.03.24 熱設計

熱阻和散熱的基礎知識:傳熱和散熱路徑

電子裝置中半導體元件的熱設計

熱量透過物體和空間傳遞。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:透過空氣和水等流體進行的熱轉移
・輻射:透過電磁波釋放熱能

散熱路徑

產生的熱量透過傳導、對流和輻射的方式經由各種路徑散發到大氣中。由於我們的主題是“半導體元件的熱設計”,因此在這裡將以安裝在印刷電路板上的IC為例進行說明。

熱源是IC晶片。該熱量會傳導至封裝、引腳框架、焊盤和印刷電路板。熱量透過對流和輻射從印刷電路板和IC封裝表面傳遞到大氣中。可以使用熱阻表示如下:

上圖右上方的IC剖面圖中,每個部分的顏色與電路網圓圈的顏色相匹配(例如晶片為紅色)。晶片溫度TJ透過電路網中所示的熱阻達到環境溫度TA

採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,熱量從晶片經由黏合材料(晶片與背面露出框架之間的粘接劑)傳導至背面框架(焊盤),然後透過印刷電路板上的焊料傳導至印刷電路板。然後,該熱量透過來自印刷機板的對流和輻射傳遞到大氣中(TA)。

其他途徑還包括從晶片透過黏合引線傳遞到引腳框架、再傳遞到印刷機板來實現對流和輻射的路徑,以及從晶片透過封裝來實現對流和輻射的路徑。

如果知道該路徑的熱阻和IC的功率損耗,則可以透過上一篇文章給出的熱歐姆定律來計算溫度差(在這裡為TA和TJ之間的差)。

就如本文所述,所謂的“熱設計”,就是努力減少各階段的熱阻,即減少從晶片到大氣的散熱路徑的熱阻,最終讓TJ降低並提高可靠性。

重點:

・熱阻是表示熱量傳遞難易程度的數值。

・熱阻的符號為Rth和θ,單位為℃/W(K/W)。

・可以用與電阻大致相同的邏輯來思考熱阻。

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