[科普中國]-熱阻

基本概念

熱阻（thermalresistance）

當有熱量在物體上傳輸時，在物體兩端溫度差與熱源的功率之間的比值，單位為開爾文每瓦特（K/W）或攝氏度每瓦特（℃/W），即

上式中，為物體一端的溫度、為物體另一端的溫度以及為發(fā)熱源的功率。

當熱量在物體內(nèi)部以熱傳導的方式傳遞時，遇到的阻力稱為導熱熱阻。對于熱流經(jīng)過的截面積不變的平板，導熱熱阻為為L/(k*A）。其中L為平板的厚度，A為平板垂直于熱流方向的截面積，k為平板材料的熱導率。

在對流換熱過程中，固體壁面與流體之間的熱阻稱為對流換熱熱阻，1/（hA）。其中h為對流換熱系數(shù)，A為換熱面積。兩個溫度不同的物體相互輻射換熱時的熱阻稱為輻射熱阻。如果兩個物體都是黑體（見黑體和灰體），且忽略兩物體間的氣體對熱量的吸收，則輻射熱阻為1/(A1F1-2)或1/(A2F2-1）。其中A1和A2為兩個物體相互輻射的表面積，F(xiàn)1-2和F2-1為輻射角系數(shù)。

當熱量流過兩個相接觸的固體的交界面時，界面本身對熱流呈現(xiàn)出明顯的熱阻，稱為接觸熱阻。產(chǎn)生接觸熱阻的主要原因是，任何外表上看來接觸良好的兩物體，直接接觸的實際面積只是交界面的一部分（見圖），其余部分都是縫隙。熱量依靠縫隙內(nèi)氣體的熱傳導和熱輻射進行傳遞，而它們的傳熱能力遠不及一般的固體材料。接觸熱阻使熱流流過交界面時，沿熱流方向溫度 T發(fā)生突然下降，這是工程應用中需要盡量避免的現(xiàn)象。減小接觸熱阻的措施是：①增加兩物體接觸面的壓力，使物體交界面上的突出部分變形，從而減小縫隙增大接觸面。②在兩物體交界面處涂上有較高導熱能力的膠狀物體──導熱脂。

相關(guān)概念熱量在熱流路徑上遇到的阻力，反映介質(zhì)或介質(zhì)間的傳熱能力的大小，表明了 1W熱量所引起的溫升大小，單位為℃/W或K/W。用熱功耗乘以熱阻，即可獲得該傳熱路徑上的溫升?？梢杂靡粋€簡單的類比來解釋熱阻的意義，換熱量相當于電流，溫差相當于電壓，則熱阻相當于電阻。

熱阻Rja：芯片的熱源結(jié)（junction）到周圍冷卻空氣（ambient）的總熱阻，乘以其發(fā)熱量即獲得器件溫升。

熱阻Rjc：芯片的熱源結(jié)到封裝外殼間的熱阻，乘以發(fā)熱量即獲得結(jié)與殼的溫差。

熱阻Rjb：芯片的結(jié)與PCB板間的熱阻，乘以通過單板導熱的散熱量即獲得結(jié)與單板間的溫差。

熱阻計算熱阻公式一般，熱阻公式中，Tcmax =Tj - P*Rjc的公式是在假設(shè)散熱片足夠大而且接觸足夠良好的情況下才成立的，否則還應該寫成 Tcmax =Tj - P*(Rjc+Rcs+Rsa). Rjc表示芯片內(nèi)部至外殼的熱阻，Rcs表示外殼至散熱片的熱阻，Rsa表示散熱片的熱阻，沒有散熱片時，Tcmax =Tj - P*(Rjc+Rca)。 Rca表示外殼至空氣的熱阻.一般使用條件用Tc =Tj - P*Rjc的公式近似。 廠家規(guī)格書一般會給出Rjc，P等參數(shù)。一般P是在25度時的功耗.當溫度大于25度時，會有一個降額指標。

實例舉個實例：一、三級管2N5551 規(guī)格書中給出25度（Tc）時的功率是1.5W(P)，Rjc是83.3℃/W。此代入公式有：25=Tj-1.5*83.3，可以從中推出Tj為150度。芯片最高溫度一般是不變的。所以有Tc=150-Ptc*83.3，其中Ptc表示溫度為Tc時的功耗.假設(shè)管子的功耗為1W，那么，Tc=150-1*83.3=66.7度。注意，此管子25度（Tc）時的功率是1.5W，如果殼溫高于25度，功率就要降額使用.規(guī)格書中給出的降額為12mW/度（0.012W/度）。我們可以用公式來驗證這個結(jié)論.假設(shè)溫度為Tc，那么，功率降額為0.012*(Tc-25）。則此時最大總功耗為1.5-0.012*(Tc-25）。把此時的條件代入公式得出： Tc=150-（1.5-0.012*(Tc-25））×83.3，公式成立. 一般情況下沒辦法測Tj，可以經(jīng)過測Tc的方法來估算Ttj，公式變?yōu)椋?Tj=Tc+P*Rjc。

同樣以2N5551為例.假設(shè)實際使用功率為1.2W，測得殼溫為60度，那么： Tj=60+1.2*83.3=159.96此時已經(jīng)超出了管子的最高結(jié)溫150度了！按照降額0.012W/度的原則，60度時的降額為（60-25）×0.012=0.42W,1.5-0.42=1.08W.也就是說，殼溫60度時功率必須小于1.08W，否則超出最高結(jié)溫.假設(shè)規(guī)格書沒有給出Rjc的值，可以如此計算： Rjc=(Tj-Tc)/P，如果也沒有給出Tj數(shù)據(jù)，那么一般硅管的Tj最大為150至175度.同樣以2N5551為例。知道25度時的功率為1.5W，假設(shè)Tj為150，那么代入上面的公式： Rjc=（150-25）/1.5=83.3 如果Tj取175度則 Rjc=（175-25）/1.5=96.6 所以這個器件的Rjc在83.3至96.6之間.如果廠家沒有給出25度時的功率.那么可以自己加一定的功率加到使其殼溫達到允許的最大殼溫時，再把數(shù)據(jù)代入： Rjc=(Tjmax-Tcmax)/P 有給Tj最好，沒有時，一般硅管的Tj取150度。

補充說明我還要作一下補充說明。

可以把半導體器件分為大功率器件和小功率器件。

1、大功率器件的額定功率一般是指帶散熱器時的功率，散熱器足夠大時且散熱良好時，可以認為其表面到環(huán)境之間的熱阻為0，所以理想狀態(tài)時殼溫即等于環(huán)境溫度.功率器件由于采用了特殊的工藝，所以其最高允許結(jié)溫有的可以達到175度。但是為了保險起見，一律可以按150度來計算.適用公式：Tc =Tj - P*Rjc.設(shè)計時，Tj最大值為150,Rjc已知，假設(shè)環(huán)境溫度也確定，根據(jù)殼溫即等于環(huán)境溫度，那么此時允許的P也就隨之確定.

2、小功率半導體器件，比如小晶體管，IC，一般使用時是不帶散熱器的。所以這時就要考慮器件殼體到空氣之間的熱阻了。一般廠家規(guī)格書中會給出Rja，即結(jié)到環(huán)境之間的熱阻.(Rja=Rjc+Rca)。同樣以三級管2N5551為例，其最大使用功率1.5W是在其殼溫25度時取得的.假設(shè)此時環(huán)境溫度恰好是25度，又要消耗1.5W的功率，還要保證殼溫也是25度，唯一的可能就是它得到足夠良好的散熱！但是一般像2N5551這樣TO-92封裝的三極管，是不可能帶散熱器使用的。所以此時，小功率半導體器件要用到的公式是： Tc =Tj - P*Rja。 Rja：結(jié)到環(huán)境之間的熱阻.一般小功率半導體器件的廠家會在規(guī)格書中給出這個參數(shù)。2N5551的Rja廠家給的值是200度/W。已知其最高結(jié)溫是150度，那么其殼溫為25度時，允許的功耗可以把上述數(shù)據(jù)代入Tc =Tj - P*Rja 得到 25=150-P*200，得到P=0.625W。事實上，規(guī)格書中就是0.625W.因為2N5551不會加散熱器使用，所以我們平常說的2N5551的功率是0.625W而不是1.5W！還有要注意，SOT-23封裝的晶體管其額定功率和Rja數(shù)據(jù)是在焊接到規(guī)定的焊盤（有一定的散熱功能）上時測得的。

3、另外告訴大家一個竅門，其實一般規(guī)格書中的最大允許儲存溫度其實也是最大允許結(jié)溫。最大允許操作溫度其實也就是最大允許殼溫.最大允許儲存溫度時，功率P當然為0，所以公式變?yōu)門cmax =Tjmax - 0*Rjc，即Tcmax =Tjmax。是不是很神奇！最大允許操作溫度，一般民用級（商業(yè)級）為70度，工業(yè)級的為80度.普通產(chǎn)品用的都是民用級的器件，工業(yè)級的一般貴很多。 熱路的計算，只要抓住這個原則就可以了：從芯片內(nèi)部開始算起，任何兩點間的溫差，都等于器件的功率乘以這兩點之間的熱阻.這有點像歐姆定律。任何兩點之間的壓降，都等于電流乘以這兩點間的電阻。不過要注意，熱量在傳導過程中，任何介質(zhì)，以及任何介質(zhì)之間，都有熱阻的存在，當然熱阻小時可以忽略，比如散熱器面積足夠大時，其與環(huán)境溫度接近，這時就可以認為熱阻為0.如果器件本身的熱量就造成了周圍環(huán)境溫度上升，說明其散熱片（有散熱片的話）或外殼與環(huán)境之間的熱阻比較大！這時，最簡單的方法就是直接用Tc =Tj - P*Rjc來計算.其中Tc為殼溫，Rjc為結(jié)殼之間的熱阻.如果你Tc換成散熱片（有散熱片的話）表面溫度，那么公式中的熱阻還必須是結(jié)殼之間的加上殼與散熱器之間的在加散熱器本身的熱阻！另外，如果你的溫度點是以環(huán)境來取點，那么，想想這中間包含了還有哪些熱路吧。比如，散熱片與測試腔體內(nèi)空氣之間的熱阻，腔體內(nèi)空氣與腔體外空氣間的熱阻.這樣就比較難算了。

其他信息微生物對熱的抵抗力稱為熱阻（heat resistance），即指微生物在某一特定條件下（主要是溫度）的致死時間。相對熱阻是指微生物在某一特定條件下的致死時間與另一微生物在相同條件下的致死時間之比。2