针对电气工程师的热管理基础——第三篇

30 Nov 2018 • 1 minute read

作者： Lawrence Der

在热管理入门基础知识——第二篇中，我们研究了三种不同的热传输机制，并将它们与等效热阻相关联。为了加深对热域的理解，此篇文章中我们将使用热阻的概念来建立一个系统的热等效网络，并确定与其等效的连结环境热阻。

作为电气工程师，我们必须保证的最基本的热要求之一，便是确保集成电路（IC）不超过其最高结温。根据热阻的概念，如果我们知道从IC结到周围环境的等效热阻、IC的最大结温和IC的最高环境温度，就可以估算出IC可具有的最大功耗，用下式表示：

然而在许多情况下，作为系统设计人员，我们无法控制集成电路的最大功耗，但我们可以通过设计放置IC的环境来控制等效连结环境热阻。如果重新排列上述等式，我们可以找到系统的最大连结环境热阻：

因此，我们的目标是确保等效连结环境电阻小于最大连结环境电阻，从而确保IC永远不会超过最大结温，方程如下：

现在，我们来看看如何估算。如图1所示，这个简单的例子是由印刷电路板（PCB）及其顶部封装的IC组成。在这个例子中，IC芯片是热源（电源），我们将分析IC芯片通过封装和PCB到周围环境的热传递过程。

图1. 一个由PCB及其顶部封装IC组成的简单系统（点击查看大图）

回顾一下我们的第一篇文章，与电流传导不同，热传导没有很好的约束并从热源向各个方向流动。严格来讲，电流也向各个方向流动；但由于导体和绝缘体具有很强的隔离效果（>> 10⁸），电气元件的设计会限制电流的流动，而热流的隔离效果则要弱得多，通常仅仅在1000s到10,000s之间。因此，来自IC芯片的热量将通过固体封装和PCB在所有三个维度上传递，因而可使用它们各自的导热电阻进行建模。

当热流到达封装和PCB的表面时，热传递模式将从传导变为对流和辐射。注意，热对流和热辐射都发生在表面与环境之间，因此是并行出现的。通常，这种并行组合总是在物体的表面处发生，传递到诸如空气等介质环境中。作为电气工程师，我们知道如果并联的两个电阻中一个电阻值明显小于另一个时，那么并联电阻的阻值可以用电阻值小的那个电阻来近似。同样的概念也适用于热电阻，热量流动总是沿着热阻最小的路径。在大部分情况下，热对流主导了热辐射，因此从表面到环境的热传递电阻可以用较小的热对流电阻值近似。

图2. 带有热电阻系统的简化2D模型（点击查看大图）

简单起见，我们在2D中进行系统分析，这些技术也可以很容易地应用于3D中。图2显示了带有热电阻系统的简化2D模型。用于系统建模的电阻数量可能会有所不同，具体取决于系统建模的复杂程度和准确程度。在此示例中，我们对实体元件进行建模，允许热量传递到对象的所有表面或侧面。该封装有四个导热电阻，可使热量从IC芯片传递到封装顶部，，封装的两侧，和，以及封装的底部，。由于PCB的面积比封装的面积大得多，因而PCB采用10个热电阻建模，以达到更均匀的传热效果。热量通过从封装传递到PCB，到达PCB的两个顶端，和，然后通过内部到达PCB的两侧和PCB的底部。如前文所述，所有固体表面将具有并行的热对流和热辐射电阻，以仿真从固体表面到环境的热传递。同样，PCB表面采用多个并行的热对流和热辐射电阻建模，以实现均匀分布的效果。

表1. 图3中热网络的等效电阻（点击查看大图）

图3. 图2中2D系统的等效热网络（点击查看大图）

作为电气工程师，我们可以通过对电阻进行分组来简化系统的2D模型，如表1和图3所示。这种电阻分组的优点是每个等效电阻仍然保持其2D模型的物理解释。例如表示通过封装顶部从IC芯片到周围环境的等效电阻，表示从封装底部到PCB顶部接口的接触电阻。因此，如果我们想要包括将封装连接到PCB的焊料的热阻，我们可以将其添加到。此外，通过观察图3，我们看到热量通过封装顶部和封装侧面的电阻直接从IC芯片传递到周围环境。另一传播路径则通过封装底部并经由电阻进入PCB，最终通过相应的电阻路径到达PCB顶部、侧面和底部表面。

图4. 用于寻找等效连结环境热阻的热网络。（点击查看大图）

观察底部电阻，和可以串联添加，然后与电阻并联，由此进一步简化图3中的网络。这种模式继续向上延伸，直到我们可以进入如图4所示的等效热网络。我们所希望的系统等效连结环境热阻如下：

如上式（以及我们从图3中获得的信息），等于封装顶部电阻（）、封装侧面电阻（）、从封装底部通过PCB到周围环境的等效电阻的并联值。

由于热阻与电导的横截面积、或热对流和热辐射电阻的表面积成反比，我们可以通过忽略由于封装和PCB侧面（因为面积很小）引起的大热阻来进一步简化：

通过简化后的式子，我们可以看到正如我们直观预期的那样，热传递的主要途径是通过封装的顶部、或通过PCB的顶部和底部表面。但是，如果我们仔细研究上式和每个等效电阻的定义，我们可以获得进一步的结论：

封装顶部电阻由来自封装的热电阻（封装材料和顶部表面区域的函数）和热对流、热辐射电阻（封装顶部表面区域的函数）组成。我们不大可能改变IC正在使用的封装，但我们可以使用散热器来处理封装的热对流和热辐射电阻问题。这将在我们的下一篇文章中讨论。
热流的另一个主要途径是通过封装和PCB之间的热阻，然后通过PCB的顶部表面热阻输出。对于较大的PCB顶部表面，降低封装和PCB之间的接触热阻，并降低PCB的内部热阻是十分重要的。
热流最后的主要路径是通过PCB的底面热阻。由于这是通向PCB底面的较长路径，降低PCB在此处的热阻则更为关键。