从热传递看降低电子元器件内热阻值

2024-01-19 09:08:16

　　B体育平台热传递是一种普遍存在的现象，物体之间或同一物体的不同部分存在温差，热传递现象就会自然发生，能量发生转移直至温差接近消失。

　　热传递的基本方式包括热传导、热对流以及热辐射三种形式，并在实际的热传递过程中以主次关系的组合形式出现。因为篇幅原因，本篇暂时以电子设备中使用的 IC 和晶体管等半导体元器件为前提的热传导为例作为介绍。

　　热传导，指固液气体之间没有发生相对位移，无宏观运动，仅伴随分子、原子、以及自由电子等微观粒子运动，热量从温度高的地方向温度低的地方进行转移的现象。

　　在严格意义上，只有在固体中才是热传递，因为流体在静止状态下会存在温度梯度，温度梯度所造成的密度差会产生自然对流，因此，在流体中热对流与热传导是同时发生的。

　　针对近年电子设备的热传导需要，导热材料这一种新型工业材料被研发设计出来。在现实加工生产中不存在绝对平滑的平面，电子器件和散热器之间存在大量间隙以及肉眼难以观察到的凹槽，电子材料与散热器之间的实际接触面积只有散热器底座面积的10%-20%，其余均为空气间隙。空气作为热的不良导体，会降低散热的效率。石墨烯、导热膏、导热硅脂等帮助增加接触面积，且导热系数高于空气的导热材料也就应运而生，帮助提升电子元器件的散热效率。

　　导热系数是指在稳定的传热条件下，1m厚的材料，两侧表面温差为1度（K，℃），在1秒内，通过1平方米面积传递的热量，用λ表示，单位为瓦/米·度，W/m·k（W/m·K,此处的K可用℃代替）。不同物质的导热系数各不相同，相同物质的导热系数与其结构、密度、湿度、温度、压力等因素有关。一般来说，固体的热导率是最大的，金属材料的导热能力都较为出色，应用也较为普遍。

　　如果单纯根据金属导热系数数值评定，导热能力最强的是银以及铜。但考虑造价成本、重量、质量等因素，在轻便化、高集成、发热量大的电子设备发展趋势下，铝合金的综合效果是最强的，目前电机设备上使用的散热器以及散热片材料多以铝合金制作。

　　与导热系数相关的另一个概念是热阻系数，热阻反映的是阻止热量传递的能力，表示大功率电子器件耗散的热流在传输过程中(通过一定的介质)所遇到的阻力，是一个表示热量传递难易程度的数值，常用希腊字母θ 或字母R表示，单位是℃/W。

　　其中，R为热阻，K为导热系数，d为材料厚度，由以上式子可知，热阻与导热系数之间呈现出明显的相关性，选择导热系数越大的材料作为散热介质，热阻值相应下降，导热能力也就越大。

　　从上述各公式可得，为减小热传导中的热阻值，可以通过采用高导热系数的介质、增大物体横截面机、减小传递长度等方式，提高散热效率。