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由半導體元件和散热片組成的等效熱阻:其中是元件產生的熱,分別是元件结温、元件外殼溫度、散熱片溫度及環境溫度,
分別是元件連接點到元件外殼的熱阻、元件外殼到散熱片的熱阻以及散熱片本身的熱阻

熱阻(thermal resistance)是一個和有關的性質,是指在有溫度差的情形下,物體抵抗传热的能力。熱導率越好的物體,熱阻通常會比較低。

絕對熱阻编辑

一物體的絕對熱阻是指在單位時間內當有單位熱能量通過物體時,物體兩端的溫度差。是熱導的倒數。其國際標準制單位為开尔文瓦特或等效的摄氏度每瓦特(因為Δ1 K = Δ1 °C,上述二個單位是相等的)。

許多電子元件在工作時都會產生熱量,若溫度過高,元件可能會失效,因此需要加以冷卻,因此需考慮散熱裝置的絕對熱阻,讓元件有適當的散熱,避免溫度過高而失效的情形出現。

類比模型编辑

電子工程師熟悉欧姆定律,因此在處理有關熱阻的計算時,常會用類似電路的方式來處理熱阻的問題。熱通量用電流來表示,溫度差用電壓表示,熱源可以用定電流源表示,絕對熱阻可以用電阻表示,而熱容可以用電容表示。

機械工程師和結構工程師比較熱悉胡克定律,所以也常會用胡克定律來類比熱阻相關的應用。

種類 結構類比[1] 水力類比 電子類比[2]
...   [...] 水的體積 m3 熱量   [J] 電荷   [C]
潜能 位移   [m] 壓強   [N/m2] 温度   [K=J/ ] 電勢   [V=J/C]
通量 負載或是力   [N] 體積流率   [m3/s] 热通量率   [W=J/s] 電流   [A=C/s]
通量密度 應力   [N/m2 = Pa] 速度 [m/s] 热通量   [W/m2] 电流密度   [C/(m2·s) = A/m2]
阻力 柔度   [...] 流阻   [...] 熱阻   [...] 電阻   [Ω]
傳導率 剛度   [N/m] 熱導  [W/(K)] 電導   [...]
集成線性模型 胡克定律   泊肃叶定律   牛頓冷卻律   欧姆定律  
分散線性模型 ...   热传导   欧姆定律  

用傅里叶热传导定律来推导编辑

根据热传导的傅里叶定律,可以推导以下的式子,只要所有的参数x和k都是定值,下式都会有效。

 

其中:

  •  为材料(沿着热通量方向)的绝对热阻(K/W)
  • x为材料长度(延着热通量方向,单位m)
  • k为材料热导系数(W/(K·m))
  • A为截面积(垂直热通量方向,单位m2

電阻類比的問題编辑

Phillips的研究人員Clemens J. M. Lasance在2008年提出一份論文,其中提到:「雖然熱傳導(傅立葉定律)和電流的流動(歐姆定律)有類比關係,但熱傳率及電導率的物理特性使得熱傳導和電流的流動在一般情形下有些不同。……雖然兩者的微分方程式類似的,但在實務上,電阻和熱阻有顯著的不同。一個材料若是絕緣體,其電導率會比導體小20個數量級。但一個材料若是隔熱體,其導熱能力只比導熱體小3個數量級,大約只相關於高摻雜矽及低電摻雜矽的電導率比例」[3]

量測方式编辑

功率元件中連接點(junction)到空氣的熱阻主要會因環溫而有顯著的變化[4]。更精確的說法是,連接點到空氣的熱阻並不是邊界條件獨立(Boundary-Condition Independent,BCI)[3]JEDEC有一個標準(JESD51-2)可以量測在自然对流下連接點到空氣的熱阻,有另一個標準(JESD51-6)量測在強制對流下連接點到空氣的熱阻。

JEDEC也有標準可以針對表面安装技术(SMT元件)量測連接點到PCB的熱阻,是標準JESD51-8[5]

JEDEC量測連接點到外殼熱阻的標準(JESD51-14)比較新,是在2010年下半年發行,只考慮單一熱通量及外露冷卻表面的元件[6][7][8]

參考資料编辑

  1. ^ Tony Abbey. "Using FEA for Thermal Analysis". Desktop Engineering magazine. 2014 June. p. 32.
  2. ^ "The Design of Heatsinks".
  3. ^ 3.0 3.1 Lasance, C. J. M. Ten Years of Boundary-Condition- Independent Compact Thermal Modeling of Electronic Parts: A Review. Heat Transfer Engineering. 2008, 29 (2): 149. Bibcode:2008HTrEn..29..149L. doi:10.1080/01457630701673188. 
  4. ^ Ho-Ming Tong; Yi-Shao Lai; C.P. Wong. Advanced Flip Chip Packaging. Springer Science & Business Media. 2013: 460–461. ISBN 978-1-4419-5768-9. 
  5. ^ Younes Shabany. Heat Transfer: Thermal Management of Electronics. CRC Press. 2011: 111–113. ISBN 978-1-4398-1468-0. 
  6. ^ Clemens J.M. Lasance; András Poppe. Thermal Management for LED Applications. Springer Science & Business Media. 2013: 247. ISBN 978-1-4614-5091-7. 
  7. ^ http://www.electronics-cooling.com/2013/02/experiment-vs-simulation-part-3-jesd51-14/
  8. ^ Schweitzer, D.; Pape, H.; Chen, L.; Kutscherauer, R.; Walder, M. Transient dual interface measurement — A new JEDEC standard for the measurement of the junction-to-case thermal resistance. 2011 27th Annual IEEE Semiconductor Thermal Measurement and Management Symposium: 222. 2011. ISBN 978-1-61284-740-5. doi:10.1109/STHERM.2011.5767204. 

相關條目编辑

外部連結编辑