集成电路系统级封装
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3.4.2 散热机理

热量一般由高温环境向低温环境传递,基本理论方程式为

Q=KAΔt

式中,Q为热流量(W);K为换热系数(W/(m2·℃));A为换热面积(m2);Δt为冷热环境之间的温差(℃)。

热量传递一般有热传导、热对流和热辐射三种基本方式。在一般的电子散热中,这三种方式会同时进行。

1. 热传导

热传导是在高低温度影响下,同一物质或不同物质间出现传热的现象。热传导现象遵循傅里叶定律,它表示的是单位时间通过固定面积的热流量。热传导过程中传导的热流量正比于温度差异和垂直于导热方向的横截面积,反比于传输距离,即

式中,Q为热流量(W);λ为材料的导热系数(W/(m·℃));A为垂直于导热方向的截面积(m2);ThTc分别为高温面和低温面的温度;δ为两个面之间的距离(m)。

由上式可知,可以通过使用高导热系数的材料、增加导热面积、缩短传热距离来增强传导的散热量。

通常而言,固体的导热系数比液体的导热系数大,液体的导热系数比气体的导热系数大。例如,在常温下,纯铜导热系数为400W/(m·℃),水导热系数为0.6W/(m·℃),空气导热系数为0.025W/(m·℃)。

2. 热对流

热对流是指运动的流体(气体或液体)在流经温度不同的固体表面时,与固体表面之间产生热量交换的过程。热对流根据起因不同可分为自然对流和强迫对流。自然对流是指在换热过程中,流体自身不均匀性的温度场分布导致不均匀的密度场,不均匀的密度场又产生一定的浮升力。这种浮升力就是自然对流的动力。强迫对流通常借助风机、泵等产生的外力强行使流体流动实现热对流。

热对流量根据牛顿冷却定律计算,即

式中,Q为热对流量;hc为对流换热系数(W/(m2·℃));A为热量传递方向垂直的面积(m2);twtf分别为固体面和流体面的温度。

由上式可知,对流换热系数与换热面积的增大有利于提升热对流量。

3. 热辐射

热辐射是通过电磁波来向外传递能量的。理论上,绝对零度以上的物体都会向外界辐射热能量。热辐射通常不需要任何介质。

两物体表面之间的辐射换热计算公式为

式中,Q为对流换热量(W);δ0为斯蒂芬-玻尔兹曼常数,为5.67e-8W/(m2·K4);A为物体辐射换热的表面积;εxt为系统发射率;ε1ε2分别为高温物体表面(如芯片、散热器)和低温物体表面(如机箱内表面)的发射率;F12为表面1和表面2的角系数;T1T2分别为表面1、表面2的绝对温度(K)。

由于热辐射不是线性关系,因此当环境温度升高时,在元器件温升相同的条件下会散去更多的热量。