By Team Sigrity, Cadence

在 熱管理入門基礎知識：第二篇 中，和大家研究了三種不同的熱傳輸機制，並將它們與等效熱阻相關聯。為了加深對熱域的理解，此篇文章中我們將使用熱阻的概念來建立一個系統的熱等效網路，並確定與其等效的連結環境熱阻。

作為電子工程師，我們必須保證的 最基本的熱要求之一，便是確保積體電路 (IC) 不超過其最高結溫。根據熱阻的概念，如果我們知道從 IC 結到周圍環境的等效熱阻 、IC 的最大結溫 和 IC 的最高環境溫度，就可以估算出 IC 可具有的最大功耗，用下式表示：

然而在許多情況下，作為系統設計人員，我們無法控制積體電路的最大功耗，但我們可以透過設計放置 IC 的環境來控制等效連結環境熱阻。如果重新排列上述等式，我們可以找到系統的最大連結環境熱阻：

因此，我們的目標是確保等效連結環境電阻小於最大連結環境電阻，從而確保 IC 永遠不會超過最大結溫，方程式如下：

現在，我們來看看如何估算。如圖 1 所示，這個簡單的例子是由印刷電路板 (PCB) 及其頂部封裝的 IC 組成。在此例中，IC 晶片是熱源 (電源)，我們將分析 IC 晶片通過封裝和 PCB 到周圍環境的熱傳遞過程。

回顧一下我們的 第一篇文章，與電流傳導不同，熱傳導沒有很好的約束並從熱源向各個方向流動。嚴格來講，電流也向各個方向流動；但由於導體和絕緣體具有很強的隔離效果 (>> 10⁸)，電氣元件的設計會限制電流的流動，而熱流的隔離效果則要弱得多，通常僅僅在 1000s 到 10,000s 之間。 因此，來自 IC 晶片的熱量將通過固體封裝和 PCB 在所有三個維度上傳遞，因而可使用它們各自的導熱電阻進行建模。

當熱流到達封裝和 PCB 的表面時，熱傳遞模式將從傳導變為對流和輻射。注意，熱對流和熱輻射都發生在表面與環境之間，因此是並行出現的。通常，這種並行組合總是在物體的表面處發生，傳遞到諸如空氣等介質環境中。作為電子工程師，我們知道如果並聯的兩個電阻中一個電阻值明顯小於另一個時，那麼並聯電阻的阻值可以用電阻值小的那個電阻來近似。同樣的概念也適用於熱電阻，熱量流動總是沿著熱阻最小的路徑。在大部分情況下，熱對流主導了熱輻射，因此從表面到環境的熱傳遞電阻可以用較小的熱對流電阻值近似。

簡單起見，我們在 2D 中進行系統分析，這些技術也可以很容易應用於 3D 中。圖 2 顯示了帶有熱電阻系統的簡化 2D 模型。用於系統建模的電阻數量可能會有所不同，具體取決於系統建模的複雜程度和準確程度。在此範例中，我們對實體元件進行建模，允許熱量傳遞到物件的所有表面或側面。該封裝有四個導熱電阻，可使熱量從 IC 晶片傳遞到封裝頂部，,封裝的兩側，和，以及封裝的底部，。由於 PCB 的面積比封裝的面積大得多，因而 PCB 採用 10 個熱電阻建模，以達到更均勻的傳熱效果。熱量通過從封裝傳遞到 PCB，到達 PCB 的兩個頂端，和，然後通過內部到達 PCB 的兩側和 PCB 的底部。如前文所述，所有固體表面將具有並行的熱對流和熱輻射電阻，模擬從固體表面到環境的熱傳遞。同樣，PCB 表面採用多個並行的熱對流和熱輻射電阻建模，以現均勻分佈的效果。

作為電子工程師，我們可以透過 對電阻進行分組來簡化系統的 2D 模型，如表 1 和圖 3 所示。這種電阻分組的 優點是每個等效電阻仍然保持其 2D 模型的物理解釋。例如，表示通過封裝頂部從 IC 晶片到周圍環境的等效電阻，表示從封裝底部到 PCB 頂部介面的接觸電阻。因此，如果我們想要包括將封裝連接到 PCB 的焊料的熱阻，我們可以將其添加到。此外，藉由觀察圖 3，我們看到熱量通過封裝頂部和封裝側面的電阻直接從 IC 晶片傳遞到周圍環境。另一傳播路徑則通過封裝底部並經由電阻進入 PCB，最終通過相應的電阻路徑到達 PCB 頂部、側面和底部表面。

觀察底部電阻，和可以串聯添加，然後與電阻並聯，由此進一步簡化圖 3 中的網路。這種模式繼續向上延伸，直到我們可以進入如圖 4 所示的等效熱網路。我們所希望的系統等效連結環境熱阻如下：

如上式 (以及從圖 3 中獲得的資訊) ，等於封裝頂部電阻 () 、封裝側面電阻 () 、從封裝底部通過 PCB 到周圍環境的等效電阻 的並聯值。

由於熱阻與電導的橫截面積、或熱對流和熱輻射電阻的表面積成反比，我們可以透過忽略由於封裝和 PCB 側面 (因為面積很小) 引起的大熱阻來進一步簡化：

透過簡化後的式子，我們可以看到正如我們直觀預期的那樣，熱傳遞的主要途徑是通過封裝的頂部、或通過 PCB 的頂部和底部表面。但是，如果我們仔細研究上式和每個等效電阻的定義，我們可以獲得進一步的結論：

	封裝頂部電阻由來自封裝的熱電阻 (封裝材料和頂部表面區域的函數) 和熱對流、熱輻射電阻 (封裝頂部表面區域的函數) 組成。 我們不大可能改變 IC 正在使用的封裝，但我們 可以使用散熱器來處理封裝的熱對流和熱輻射電阻問題。這將在我們的下一篇文章中討論。
	熱流的另一個主要途徑是通過封裝和 PCB 之間的熱阻，然後通過 PCB 的頂部表面熱阻輸出。對於較大的 PCB 頂部表面，降低封裝和 PCB 間的接觸熱阻，並降低 PCB 的內部熱阻是十分重要的。
	熱流最後的主要路徑是通過 PCB 的底面熱阻。由於這是通向 PCB 底面的較長路徑，降低PCB在此處的熱阻則更為關鍵。

今天的文章就到這裡，在最後一篇文章中，我們將討論冷卻電子系統的技術，並根據我們剛討論過的熱電阻及其網路知識來更好地瞭解這些技術的工作原理。

下一篇：冷卻電子系統技術

延伸閱讀

	針對電子工程師的熱管理基礎：第二篇
	針對電子工程師的熱管理基礎：第一篇
	警惕發熱！—— 熱模型交換
	封裝 / PCB 系統的熱分析：挑戰及對策

原文出處

	EE Thermal 101 – Thermal Basics for Electrical Engineers (Part 3 of 4)