By Team Sigrity, Cadence
在 熱管理入門基礎知識：第一篇 裡，與大家討論了電域和熱域之間的二元性以幫助大家解暑降溫。隨著秋季的開始，暑去涼來，溫度的變化又會對電域和熱域產生什麼影響呢？
現在就跟大家講講三種不同的熱傳輸機制，以及它們是如何與熱阻相關聯的，也是對之前的文章內容「 封裝 / PCB 系統的熱分析：挑戰及對策 」進行擴展。
根據熱力學第二定律，當介質中或介質之間存在溫差時就會發生熱傳遞現象，且該現象始終從高溫處向低溫處傳遞。在沒有外部熱源的情況下，介質之間的溫差最終將達到熱平衡，因此熱傳遞機制其實就是不斷努力使其介質和周圍環境達到相同溫度的機制。下圖展示了本篇中即將討論的三種熱傳輸機制。
圖. 三種熱傳輸機制
熱傳導
當固體或靜態流體介質中存在溫度梯度或溫差時，則發生熱傳導現象。該現象是熱能在介質顆粒之間沿降溫方向的轉移。例如，當我們觸摸一個熱的物體時，我們感覺到的熱量是通過熱傳導從物體傳遞到我們的手上的。導熱速率由傅立葉熱傳導定律描述，如下所示：
其中
等式中的負號表示熱量從高溫到低溫流動。 導熱率 k 是材料傳熱效率的量度，即良好的導熱體具有高導熱率，而絕緣體則具有低導熱率。在熱傳導中，熱流在介質體內透過介質體進行傳遞或透過固體介質之間的直接接觸進行傳遞。
熱傳導的熱阻由下式給出：
等式中的負號表示熱量從高溫到低溫流動。 導熱率 k 是材料傳熱效率的量度，即良好的導熱體具有高導熱率，而絕緣體則具有低導熱率。在熱傳導中，熱流在介質體內透過介質體進行傳遞或透過固體介質之間的直接接觸進行傳遞。
其中，傳導熱流量
等於通過物體的功耗
。
熱對流
當固體表面與不同溫度的流體接觸時則產生熱對流。在消費電子產品領域，流體通常指空氣，而流動原因則通常是自然對流或強制對流。自然對流或自由對流的起因是流體中的溫度差異，這會影響流體的密度和浮力。流體的密度成分（冷空氣）較重則會下降，而較少密度的成分（熱空氣）較輕則會上升，從而導致流體移動。隨著熱物體周圍的熱空氣上升，較重的冷空氣便會取而代之並從物體上消除熱量，從而實現熱傳遞。另一方面，強制對流則是來自諸如風扇等外力的流體運動。透過對流進行的熱傳遞由牛頓冷卻定律描述：
其中
傳熱係數 h 是流體通過熱對流傳熱效率的量度，由其速度、密度和黏度決定。風扇吹氣的速度比自然對流的氣流速度要快，因此具有更高的傳熱係數。
熱對流的熱阻由下式給出：
熱輻射
熱輻射是透過電磁波從物體傳遞熱能的現象。可以在沒有介質的情況下發生，例如在太空或真空環境中；並可由任何溫度高於絕對零度的物體發出。一個典型的例子便是我們從太陽感受到的熱量或溫暖。熱輻射傳遞的熱量取決於物體的物理表面特性，例如顏色、方向和粗糙度。熱輻射由 Stefan-Boltzmann 方程描述如下：
其中
幾何形狀因數 F 是物體發出輻射後被周圍區域表面吸收的輻射百分比。
如果物件是封閉的，則幾何形狀因數 F = 1。
熱輻射的熱阻可透過其傳熱方程式進行線性預估：
其中
下表總結了三種熱傳輸機制的公式：
上述熱阻方程式提供了一種用於分析系統熱行為的電路方法。值得注意的是，由於我們可能無法獲悉感興趣元件的幾何屬性和材料屬性，我們可能還需要一些額外的近似值才能獲得實際的熱阻值：比如計算熱輻射所需知道的發射率和幾何形狀因數參數。此外，在電阻網路方法中，非線性尤其是輻射電阻的非線性是被忽略的，但該技術對於以熱傳導和熱對流為主的大多數電子系統而言，仍然具有良好的精准度（注意：熱輻射電阻和熱對流電阻在具有介質的系統中會同時出現）。另外，網路方法不僅可以很好地洞察系統的熱特性，更是電子工程師非常熟悉的領域。
今天的文章就到這裡，在下一篇中我們將使用熱電阻的概念來開發系統的熱網路。最後一篇文章裡我們將對冷卻技術展開討論，從而幫助電子工程師冷卻電子系統。
譯文授權轉載出處
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