又是一年七夕佳節(jié)，連電和熱在Sigrity?橋梁的聯(lián)結(jié)下都發(fā)誓永不分離了，小編卻還是孤零零的單身狗一只……想起前些日子小編問(wèn)起娘和爹的幸福原因，一句“他懂我呀”令小編醍醐灌頂……這么看來(lái)電也要懂熱才行！

在熱管理入門(mén)基礎(chǔ)知識(shí)——第二篇中，小編和大家研究了三種不同的熱傳輸機(jī)制，并將它們與等效熱阻相關(guān)聯(lián)。為了加深對(duì)熱域的理解，此篇文章中我們將使用熱阻的概念來(lái)建立一個(gè)系統(tǒng)的熱等效網(wǎng)絡(luò)，并確定與其等效的連結(jié)環(huán)境熱阻。

作為電氣工程師，我們必須保證的最基本的熱要求之一，便是確保集成電路（IC）不超過(guò)其最高結(jié)溫。根據(jù)熱阻的概念，如果我們知道從IC結(jié)到周?chē)h(huán)境的等效熱阻、IC的最大結(jié)溫和IC的最高環(huán)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(tǒng)設(shè)計(jì)人員，我們無(wú)法控制集成電路的最大功耗，但我們可以通過(guò)設(shè)計(jì)放置IC的環(huán)境來(lái)控制等效連結(jié)環(huán)境熱阻。如果重新排列上述等式，我們可以找到系統(tǒng)的最大連結(jié)環(huán)境熱阻：

因此，我們的目標(biāo)是確保等效連結(jié)環(huán)境電阻小于最大連結(jié)環(huán)境電阻，從而確保IC永遠(yuǎn)不會(huì)超過(guò)最大結(jié)溫，方程如下：

現(xiàn)在，我們來(lái)看看如何估算。如圖1所示，這個(gè)簡(jiǎn)單的例子是由印刷電路板（PCB）及其頂部封裝的IC組成。在這個(gè)例子中，IC芯片是熱源（電源），我們將分析IC芯片通過(guò)封裝和PCB到周?chē)h(huán)境的熱傳遞過(guò)程。

圖1. 一個(gè)由PCB及其頂部封裝IC組成的簡(jiǎn)單系統(tǒng)（點(diǎn)擊查看大圖）

回顧一下我們的第一篇文章，與電流傳導(dǎo)不同，熱傳導(dǎo)沒(méi)有很好的約束并從熱源向各個(gè)方向流動(dòng)。嚴(yán)格來(lái)講，電流也向各個(gè)方向流動(dòng)；但由于導(dǎo)體和絕緣體具有很強(qiáng)的隔離效果（>> 108），電氣元件的設(shè)計(jì)會(huì)限制電流的流動(dòng)，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(lái)自IC芯片的熱量將通過(guò)固體封裝和PCB在所有三個(gè)維度上傳遞，因而可使用它們各自的導(dǎo)熱電阻進(jìn)行建模。

當(dāng)熱流到達(dá)封裝和PCB的表面時(shí)，熱傳遞模式將從傳導(dǎo)變?yōu)閷?duì)流和輻射。注意，熱對(duì)流和熱輻射都發(fā)生在表面與環(huán)境之間，因此是并行出現(xiàn)的。通常，這種并行組合總是在物體的表面處發(fā)生，傳遞到諸如空氣等介質(zhì)環(huán)境中。作為電氣工程師，我們知道如果并聯(lián)的兩個(gè)電阻中一個(gè)電阻值明顯小于另一個(gè)時(shí)，那么并聯(lián)電阻的阻值可以用電阻值小的那個(gè)電阻來(lái)近似。同樣的概念也適用于熱電阻，熱量流動(dòng)總是沿著熱阻最小的路徑。在大部分情況下，熱對(duì)流主導(dǎo)了熱輻射，因此從表面到環(huán)境的熱傳遞電阻可以用較小的熱對(duì)流電阻值近似。

圖2. 帶有熱電阻系統(tǒng)的簡(jiǎn)化2D模型（點(diǎn)擊查看大圖）

簡(jiǎn)單起見(jiàn)，我們?cè)?D中進(jìn)行系統(tǒng)分析，這些技術(shù)也可以很容易地應(yīng)用于3D中。圖2顯示了帶有熱電阻系統(tǒng)的簡(jiǎn)化2D模型。用于系統(tǒng)建模的電阻數(shù)量可能會(huì)有所不同，具體取決于系統(tǒng)建模的復(fù)雜程度和準(zhǔn)確程度。在此示例中，我們對(duì)實(shí)體元件進(jìn)行建模，允許熱量傳遞到對(duì)象的所有表面或側(cè)面。該封裝有四個(gè)導(dǎo)熱電阻，可使熱量從IC芯片傳遞到封裝頂部，,封裝的兩側(cè)，和，以及封裝的底部，。由于PCB的面積比封裝的面積大得多，因而PCB采用10個(gè)熱電阻建模，以達(dá)到更均勻的傳熱效果。熱量通過(guò)從封裝傳遞到PCB，到達(dá)PCB的兩個(gè)頂端，和，然后通過(guò)內(nèi)部到達(dá)PCB的兩側(cè)和PCB的底部。如前文所述，所有固體表面將具有并行的熱對(duì)流和熱輻射電阻，以仿真從固體表面到環(huán)境的熱傳遞。同樣，PCB表面采用多個(gè)并行的熱對(duì)流和熱輻射電阻建模，以實(shí)現(xiàn)均勻分布的效果。

表1. 圖3中熱網(wǎng)絡(luò)的等效電阻（點(diǎn)擊查看大圖）

圖3. 圖2中2D系統(tǒng)的等效熱網(wǎng)絡(luò)（點(diǎn)擊查看大圖）

作為電氣工程師，我們可以通過(guò)對(duì)電阻進(jìn)行分組來(lái)簡(jiǎn)化系統(tǒng)的2D模型，如表1和圖3所示。這種電阻分組的優(yōu)點(diǎn)是每個(gè)等效電阻仍然保持其2D模型的物理解釋。例如，表示通過(guò)封裝頂部從IC芯片到周?chē)h(huán)境的等效電阻，表示從封裝底部到PCB頂部接口的接觸電阻。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，通過(guò)觀察圖3，我們看到熱量通過(guò)封裝頂部和封裝側(cè)面的電阻直接從IC芯片傳遞到周?chē)h(huán)境。另一傳播路徑則通過(guò)封裝底部并經(jīng)由電阻進(jìn)入PCB，最終通過(guò)相應(yīng)的電阻路徑到達(dá)PCB頂部、側(cè)面和底部表面。

圖4. 用于尋找等效連結(jié)環(huán)境熱阻的熱網(wǎng)絡(luò)。（點(diǎn)擊查看大圖）

觀察底部電阻，并聯(lián)，由此進(jìn)一步簡(jiǎn)化圖3中的網(wǎng)絡(luò)。這種模式繼續(xù)向上延伸，直到我們可以進(jìn)入如圖4所示的等效熱網(wǎng)絡(luò)。我們所希望的系統(tǒng)等效連結(jié)環(huán)境熱阻如下：

如上式（以及我們從圖3中獲得的信息），等于封裝頂部電阻（）、封裝側(cè)面電阻（）、從封裝底部通過(guò)PCB到周?chē)h(huán)境的等效電阻?的并聯(lián)值。

由于熱阻與電導(dǎo)的橫截面積、或熱對(duì)流和熱輻射電阻的表面積成反比，我們可以通過(guò)忽略由于封裝和PCB側(cè)面（因?yàn)槊娣e很?。┮鸬拇鬅嶙鑱?lái)進(jìn)一步簡(jiǎn)化

通過(guò)簡(jiǎn)化后的式子，我們可以看到正如我們直觀預(yù)期的那樣，熱傳遞的主要途徑是通過(guò)封裝的頂部、或通過(guò)PCB的頂部和底部表面。 但是，如果我們仔細(xì)研究上式和每個(gè)等效電阻的定義，我們可以獲得進(jìn)一步的結(jié)論：

封裝頂部電阻由來(lái)自封裝的熱電阻（封裝材料和頂部表面區(qū)域的函數(shù)）和熱對(duì)流、熱輻射電阻（封裝頂部表面區(qū)域的函數(shù)）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(lái)處理封裝的熱對(duì)流和熱輻射電阻問(wèn)題。這將在我們的下一篇文章中討論。

熱流的另一個(gè)主要途徑是通過(guò)封裝和PCB之間的熱阻，然后通過(guò)PCB的頂部表面熱阻輸出。對(duì)于較大的PCB頂部表面，降低封裝和PCB之間的接觸熱阻，并降低PCB的內(nèi)部熱阻是十分重要的。

熱流最后的主要路徑是通過(guò)PCB的底面熱阻。由于這是通向PCB底面的較長(zhǎng)路徑，降低PCB在此處的熱阻則更為關(guān)鍵。

今天的文章就到這里，在最后一篇文章中，我們將討論冷卻電子系統(tǒng)的技術(shù)，并根據(jù)我們剛討論過(guò)的熱電阻及其網(wǎng)絡(luò)知識(shí)來(lái)更好地了解這些技術(shù)的工作原理。