热阻和散热的基础知识: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

三种热传递形式

辐射

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。

安装于印刷电路板(FR4)的表面贴装型封装IC的界面示例图

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:

热阻示例图

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。

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