封装/ PCB系统的热分析：挑战及对策

3 Aug 2018 • 2 minute read

如今越来越多的封装/ PCB系统设计需要进行热分析。功耗是封装/ PCB系统设计中的关键问题，需要仔细考虑热和电两个领域的问题。为了更好地理解热分析，我们以固体中的热传导为例，并利用两个领域的对偶性。图1和表1描述了电域与热域之间的基本关系。

图1. 电域与热域之间的基本关系（点击查看大图）

表1. 电域与热域之间的基本关系（点击查看大图）

电域与热域之间存在一些差异，比如：

在电域，电流被限制在特定电路元件内流动，但在热域中，热流通过三种热传导机制（传导、对流和辐射）在三维空间从热源散发出去
元件之间的热耦合比电耦合更加明显且难以分离
测量工具不同。对于热分析，红外热像仪和热电偶取代了示波器和电压探头

当固体或静止流体介质中存在温度梯度时发生热传导。热对流和热辐射是比热传导更复杂的热传输机制。热对流发生在固体表面与不同温度流体材料接触时。热辐射来自于所有温度大于绝对零度的物质的电磁辐射。图2显示了三种热传输工作图。所有上述热传输机制的一维应用的描述性等式如表2所示。

图2. 三种热传输机制（点击查看大图）

表2. 不同热传输模式的方程（点击查看大图）

其中：

Q为每秒传输的热量(J/s)

k为导热系数(W/(K.m))

A为物体的截面积(m²)

ΔT为温差

Δx为材料厚度

h_c为对流传热系数

h_r 为辐射传热系数

T₁ 为一侧的初始温度

T₂ 为另一侧的温度

T_s 为固体表面的温度(^oC)

T_f 为流体的平均温度(^oC)

T_h 为热端温度(K)

T_c 为冷端温度 (K)

ε为物体的辐射系数（对于黑体）(0~1)

σ为Stefan-Boltzmann常数=5.6703*10^-8 (W/(m²K⁴))

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