散热基础知识

热参数
热参数
电子组件热管理技术中最常用也是重要的评量参考是热阻（thermal resistance），以IC封装而言，最重要的参数是由芯片接面到固定位置的热阻，其定义如下：
热阻值一般常用θ或是R表示，其中Tj为接面位置的温度，Tx为热传到某点位置的温度，P为输入的发热功率。

热阻大表示热不容易传递，因此组件所产生的温度就比较高，由热阻可以判断及预测组件的发热状况。

早期的电子热传工业标准主要是SEMI标准，该标准定义了IC封装在自然对流、风洞及无限平板的测试环境下的测试标准。

自1990年之后，JEDEC JC51委员会邀集厂商及专家开始发展新的热传工业标准，针对热管理方面提出多项的标准，其中包含了已出版的部分、已提出的部分建议提出的部分，热管理相关标准整理成如图一之表格分布。

和SEMI标准相比，虽然基本量测方式及原理相同，但内容更为完整，另外也针对一些定义做更清楚的说明。

SEMI的标准中定义了两种热阻值，即θja及θjc，其中θja是量测在自然对流或强制对流条件下从芯片接面到大气中的热阻，如图二（a）所示。

由于量测是在标准规范的条件下去做，因此对于不同的基板设计以及环境条件就会有不同的结果，此值可用于比较封装散热的容易与否，用于定性的比较，θjc是指热由芯片接面传到IC封装外壳的热阻，如图二（b），在量测时需接触一等温面。

该值主要是用于评估散热片的性能。

和θ之定义类似，但不同之处是Ψ是指在大部分的热量传递的状况下，而θ是指全部的热量传递。

在实际的电子系统散热时，热会由封装的上下甚至周围传出，而不一定会由单一方向传递，因此Ψ之定义比较符合实际系统的量测状况。

Ψjt是指部分的热由芯片接面传到
封装上方外壳，如图二（d）所示，该定义可用于实际系统产品由IC封装外表面温度预测芯片接面温度。

Ψjb和Θjb类似，但是是指在自然对流以及风洞环境下由芯片接面传到下方测试板部分热传时所产生的热阻，可用于由板温去预测接面温度。

散热片
散热片
由于散热器底面与芯片表面之间会存在很多沟壑或空隙，其中都是空气。

由于空气是热的不良导体，所以空气间隙会严重影响散热效率，使散热器的性能大打折扣，甚至无法发挥作用。

为了减小芯片和散热器之间的空隙，增大接触面积，必须使用导热性能好的导热材料来填充，如导热胶带、导热垫片、导热硅酯、导热黏合剂、相转变材料等。

如图2所示，芯片发出的热量通过导热材料传递给散热器，再通过风扇的高速转动将绝大部分热量通过对流（强制对流和自然对流）的方式带走到周围的空气中，强制将热量排除，这样就形成了从芯片，然后通过散热器和导热材料，到周围空气的散热通路。

图2芯片的散热
表征热传导过程的物理量
图3一维热传导模型
在图3的导热模型中，达到热平衡后，热传导遵循傅立叶传热定律：
Q=K·A·(T1-T2)/L (1)
式中：Q为传导热量（W）；K为导热系数（W/m℃）；A 为传热面积（m2）；L为导热长度（m）。

(T1-T2)为温度差。

热阻R表示单位面积、单位厚度的材料阻止热量流动的能力，表示为：
R＝(T1-T2)/Q＝L/K·A (2)
对于单一均质材料，材料的热阻与材料的厚度成正比；对于非单一材料，总的趋势是材料的热阻随材料的厚度增加而增大，但不是纯粹的线形关系。

对于界面材料，用特定装配条件下的热阻抗来表征界面材料导热性能的好坏更合适，热阻抗定义为其导热面积与接触表面间的接触热阻的乘积，表示如下： Z＝(T1-T2)/(Q/A)＝R·A (3)
表面平整度、紧固压力、材料厚度和压缩模量将对接触热阻产生影响，而这些因素又与
导热系数指物体在单实际应用条件有关，所以界面材料的热阻抗也将取决于实际装配条件。

导热系数
位长度上产生1℃的温度差时所需要的热功率，是衡量固体热传导效率的固有参数，与材料的外在形态和热传导过程无关，而热阻和热阻抗是衡量过程传热能力的物理量。

图4芯片的工作温度
实例
实例
下面通过一个实例来计算芯片的工作温度。

芯片的热阻为1.75℃/W，功率为5W，最高工
作温度为90℃，散热器热阻为1.5℃/W，导热材料的热阻抗Z为5.8℃cm2/W，导热材料的传热面积为5cm2，周围环境温度为50℃。

导热材料理论热阻R4为：
R4＝Z/A＝5.8 (℃·cm2/W)/ 5(cm2)=1.16℃/W (7)
由于导热材料同芯片和散热器之间不可能达到100％的结合，会存在一些空气间隙，因此导热材料的实际热阻要大于理论热阻。

假定导热材料同芯片和散热器之间的结合面积为总面积的60％，则实际热阻R3为：
R3＝R4/60%＝1.93℃/W (8)
总热阻R为：
R=R1+R2+R3=5.18℃/W (9)
芯片的工作温度T2为：
T2＝T1+P×R＝50℃+(5W× 5.18℃/W)＝75.9℃ (10)
可见，芯片的实际工作温度75.9℃小于芯片的最高工作温度90℃，处于安全工作状态。

如果芯片的实际工作温度大于最高工作温度，那就需要重新选择散热性能更好的散热器，增加散热面积，或者选择导热效果更优异的导热材料，提高整体散热效果，从而保持芯片的实际工作温度在允许范围以内。

热设计要点
如果发热分布均匀, 元器件的间距应均匀,以使风均匀流过每一个发热源.
如果发热分布不均匀,在发热量大的区域元器件应稀疏排列,而发热量小的区域元器件布局应稍密些,或加导流条,以使风能有效的流到关键发热器件.
如果风扇同时冷却散热器及模块内部的其它发热器件,应在模块内部采用阻流方法,使大部分的风量流入散热器.
进风口的结构设计原则:一方面尽量使其对气流的阻力最小,另一方面要考虑防尘,需综合
考虑二者的影响.
风道的设计原则
风道尽可能短,缩短管道长度可以降低风道阻力;
尽可能采用直的锥形风道,直管加工容易,局部阻力小;
风道的截面尺寸和出口形状,风道的截面尺寸最好和风扇的出口一致,以避免因变换截面而
增加阻力损失,截面形状可为园形,也可以是正方形或长方形;
散热器散热器自然风冷方式的判断自然风冷方式的判断自然风冷方式的判断：：
对通风条件较好的场合：散热器表面的热流密度小于0.039W/cm 2，可采用自然风冷； 对通风条件较恶劣的场合：散热器表面的热流密度小于0.024W/cm 2，可采用自然风冷； 散热器强迫风冷方式的判断散热器强迫风冷方式的判断：：
对通风条件较好的场合：散热器表面的热流密度大于0.039W/cm 2而小于0.078W/cm 2，必须采用强迫风冷；
对通风条件较恶劣的场合：散热器表面的热流密度大于0.024W/cm 2而小于0.078W/cm 2，必须采用强迫风冷；
辐射换热的考虑原则
散热片的表面经过黑色氧极化处理,其目的是提高散热效率,在自然散热下可提高
10%~15%,在风冷情况下可提高3%.如果物体表面的温度低于50℃,可忽略颜色对辐射换热的影响.因为此时辐射波长相当长,处于不可见的红外区.而在红外区,一个良好的发射体也是一个良好的吸收体,发射率和吸收率与物体表面的颜色无关.
自然冷却散热器的设计方法自然冷却散热器的设计方法：：
1． 自然冷却散热器表面的换热能力较弱，在散热齿表面增加波纹不会对自然对流效果
产生太大的影响，所以建议散热齿表面不加波纹齿；
2． 自然对流的散热器表面一般采用发黑处理，以增大散热表面的辐射系数，强化辐射
换热；
3． 由于自然对流达到热平衡的时间较长，所以自然对流散热器的基板及齿厚应足够，
以抗击瞬间时热负荷的冲击。

强迫冷却散热器的设计方法
1． 在散热器表面加波纹齿,波纹齿的深度一般应小于0.5mm.
2． 增加散热器的齿片数.目前国际上先进的挤压设备及工艺已能够达到23的高宽比,国
内目前高宽比最大只能达到8.
3． 采用针状齿的设计方式,增加流体的扰动,提高散热齿间的对流换热系数.。