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热阻

2018-07-26 10:36:13     所属分类:电子工程
由半导体元件和散热片组成的等效热阻:其中是元件产生的热,分别是元件结温、元件外壳温度、散热片温度及环境温度,
分别是元件连接点到元件外壳的热阻、元件外壳到散热片的热阻以及散热片本身的热阻

热阻(thermal resistance)是一个和热有关的性质,是指在有温度差的情形下,物体抵抗传热的能力。热导率越好的物体,热阻通常会比较低。

  • (绝对)热阻R,单位是K/W,是一特定物体的特性,例如散热片就会标示其热阻。
  • 比热阻(Specific thermal resistance)Rλ,单位(K·m)/W,是材料特性英语material constant
  • 热绝缘系数(Thermal insulance,在国际标准制下单位为(m2K)/W,在英制下为(ft2·°F·hr)/Btu。是一材料单位面积下的热阻。若是在隔热的应用上,会用隔热R值英语R-value (insulation)来量测。

目录

  • 1 绝对热阻
  • 2 类比模型
    • 2.1 用傅立叶热传导定律来推导
    • 2.2 电阻类比的问题
  • 3 量测方式
  • 4 参考资料
  • 5 相关条目
  • 6 外部链接

绝对热阻

一物体的绝对热阻是指在单位时间内当有单位热能量通过物体时,物体两端的温度差。是热导的倒数。其国际标准制单位为开尔文每瓦特或等效的摄氏度每瓦特(因为Δ1 K = Δ1 °C,上述二个单位是相等的)。

许多电子元件在工作时都会产生热量,若温度过高,元件可能会失效,因此需要加以冷却,因此需考虑散热装置的绝对热阻,让元件有适当的散热,避免温度过高而失效的情形出现。

类比模型

电子工程师熟悉欧姆定律,因此在处理有关热阻的计算时,常会用类似电路的方式来处理热阻的问题。热通量用电流来表示,温度差用电压表示,热源可以用定电流源表示,绝对热阻可以用电阻表示,而热容可以用电容表示。

机械工程师和结构工程师比较热悉胡克定律,所以也常会用胡克定律来类比热阻相关的应用。

种类 结构类比[1] 水力类比 电子类比[2]
... ... 水的体积 m3 热量 J 电荷 C
潜能 位移 m 压强 N/m2 温度 K=J/ 电势 V=J/C
通量 负载或是力 N 体积流率 m3/s 热通量率 W=J/s 电流 A=C/s
通量密度 应力 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 ... 热阻 ... 电阻 Ω
传导率 刚度 N/m 热导 W/(K·m) 电导 ...
集成线性模型 胡克定律 泊肃叶定律 牛顿冷却律 欧姆定律
分散线性模型 ... 热传导 欧姆定律

用傅立叶热传导定律来推导

根据热传导的傅立叶定律,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(延著热通量方向)的绝对热阻(K/W)
  • x为材料长度(延著热通量方向,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

电阻类比的问题

Phillips的研究人员Clemens J. M. Lasance在2008年提出一份论文,其中提到:“虽然热传导(傅立叶定律)和电流的流动(欧姆定律)有类比关系,但热传率及电导率的物理特性使得热传导和电流的流动在一般情形下有些不同。……虽然两者的微分方程是类似的,但在实务上,电阻和热阻有显著的不同。一个材料若是绝缘体,其电导率会比导体小20个数量级。但一个材料若是隔热体,其导热能力只比导热体小3个数量级,大约只相关于高掺杂硅及低电掺杂硅的电导率比例”[3]

量测方式

功率元件中连接点(junction)到空气的热阻主要会因环温而有显著的变化[4]。更精确的说法是,连接点到空气的热阻并不是边界条件独立(Boundary-Condition Independent,BCI)[3]。JEDEC有一个标准(JESD51-2)可以量测在自然对流下连接点到空气的热阻,有另一个标准(JESD51-6)量测在强制对流下连接点到空气的热阻。

JEDEC也有标准可以针对表面安装技术(SMT元件)量测连接点到PCB的热阻,是标准JESD51-8[5]

JEDEC量测连接点到外壳热阻的标准(JESD51-14)比较新,是在2010年下半年发行,只考虑单一热通量及外露冷却表面的元件[6][7][8]

参考资料

  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. 

相关条目

  • 热工程英语Thermal engineering
  • 热设计功耗
  • 安全工作区
  • 接触热导

外部链接

  • Guoping Xu (2006), Thermal Management for Electronic Packaging, Sun Microsystems
  • http://www.electronics-cooling.com/2012/09/update-on-jedec-thermal-standards/
  • The importance of Soil Thermal Resistivity for power companies

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