熱傳導(dǎo)專區(qū)

作者:江志宏

熱導(dǎo)率(heat conductivity、thermal conductivity)

是一個(gè)物質(zhì)的導(dǎo)熱性能，在同一物質(zhì)內(nèi)從高溫處傳到低溫處。 也稱做：導(dǎo)熱性、導(dǎo)熱度、熱導(dǎo)率、熱傳係數(shù)、傳熱性、傳熱度、導(dǎo)熱係數(shù)、熱傳導(dǎo)係數(shù)、熱傳導(dǎo)度。

熱導(dǎo)率公式(thermal conductivity)

k = (Q/t) *L/(A*T) k：熱導(dǎo)率、Q：熱量、 t：時(shí)間、L：長(zhǎng)度、A：面積、T：溫度差 在SI單位，熱導(dǎo)率的單位是 W/(m*K)，在英制單位，是Btu?ft/(h?ft2?°F)

熱傳導(dǎo)係數(shù)(heat transfer coefficient)

在熱力學(xué)、機(jī)械工程與化學(xué)工程中，熱傳導(dǎo)係數(shù)是用來(lái)計(jì)算熱傳導(dǎo)的，主要是對(duì)流的熱傳導(dǎo)或流體與固體之間相態(tài)變換的熱傳導(dǎo)，其定義為在單位溫差下﹐單位時(shí)間通過單位面積單位距離的熱量﹐稱為該物質(zhì)之熱傳導(dǎo)係數(shù)﹐若以厚度L之物質(zhì)量測(cè)﹐則量測(cè)值要乘以L﹐所得之值是為熱傳導(dǎo)係數(shù)﹐通常記成k。

熱傳導(dǎo)係數(shù)的單位換算

1 (cal) = 4.186(j)， 1 (cal/s) = 4.186( j / s) = 4.186 (W)。

下方左圖:在溫度27℃(300'K)的熱傳導(dǎo)係數(shù)k值/
下方右圖:在溫度20℃的熱傳導(dǎo)係數(shù)k值

金屬特性比較表：

高溫對(duì)電子產(chǎn)品的影響：

溫度升高會(huì)造成電阻的阻值降低，也會(huì)縮短電容的使用壽命，另外高溫會(huì)造成變壓器、相關(guān)絕緣材料的性能下降，溫度過高還會(huì)造成PCB板上的焊點(diǎn)合金結(jié)構(gòu)的變化：IMC增厚、焊點(diǎn)變脆、錫鬚增長(zhǎng)、機(jī)械強(qiáng)度降低，結(jié)溫的升高會(huì)使電晶體的電流放大倍數(shù)迅速增加，導(dǎo)致集電極電流增加，又使結(jié)溫進(jìn)一步升高，最終導(dǎo)致元件失效。

專有名詞解釋：

Junction Temperature (結(jié)溫)：電子設(shè)備中半導(dǎo)體的實(shí)際溫度。在操作中，它通常較封裝外殼溫度(Case Temperature)高，溫度差等于其間的熱流乘以熱阻。 Free convection (自然對(duì)流) ： Radiation (輻熱)： Forced Air(氣冷)： Forced Liquid (氣冷)： Liquid Evaporation(氣化) ： Surface(表面) Surroundings(週溫、環(huán)境溫度)

熱傳導(dǎo)公式：

熱設(shè)計(jì)常用的簡(jiǎn)單注意事項(xiàng)：

1 應(yīng)善用熱傳導(dǎo)、自然對(duì)流和輻射等簡(jiǎn)單、可靠的冷卻方式，除了降低成本也減少故障。
2 盡可能縮短傳熱路徑，并且增大熱交換面積。
3 元器件安裝時(shí)，要充分考慮周邊元器件輻射熱交換的影響，熱敏器件應(yīng)遠(yuǎn)離熱源或想辦法採(cǎi)用熱遮罩的保護(hù)措施，將元器件與熱源進(jìn)行隔離。
4 進(jìn)氣口和排氣口之間應(yīng)有足夠距離，要避免熱風(fēng)回流。
5 進(jìn)入的空氣與排出的空氣之間的溫差應(yīng)小于14℃。
6 應(yīng)注意強(qiáng)迫通風(fēng)與自然通風(fēng)的方向儘量一致。
7 發(fā)熱量大的器件應(yīng)盡可能靠近容易散熱的表面(如金屬機(jī)殼的內(nèi)表面，金屬底座及金屬支架等)安裝，并與表面之間有良好的接觸熱傳導(dǎo)。
8 電源部分的大功率管和整流橋堆屬于發(fā)熱大的器件，最好直接安裝在機(jī)殼上，以加大散熱面積。在印製板的佈局中，功率較大的電晶體周圍的板面上應(yīng)留有更多的敷銅層，以提高底板的散熱能力。
9 使用自由對(duì)流時(shí)，避免使用太密的散熱片。
10 進(jìn)行熱設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該考慮確保導(dǎo)線的載流容量，所選用電線的直徑必須適合電流的傳導(dǎo)，而不致引起超過允許的溫升與壓降。
11 如果發(fā)熱分佈均勻，元器件的間距應(yīng)均勻，以使風(fēng)均勻流過每一個(gè)發(fā)熱源。
12 使用強(qiáng)迫對(duì)流冷卻時(shí)(風(fēng)扇)，將對(duì)溫度敏感的原件放在最接近進(jìn)風(fēng)口的位置。
13 利用自由對(duì)流冷卻的裝備，避免將其他零件安排在高功率消耗件的上方，正確的作法應(yīng)該是參差水平排列。
14 如果發(fā)熱分佈不均勻，在發(fā)熱量大的區(qū)域元器件應(yīng)稀疏排列，而發(fā)熱量小的區(qū)域元器件佈局應(yīng)稍密些，或加導(dǎo)流條，以使風(fēng)能有效的流到關(guān)鍵發(fā)熱器件。
15 進(jìn)風(fēng)口的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則：一方面儘量使其對(duì)氣流的阻力最小，另一方面要考慮防塵，需綜合考慮二者的影響。
16 功率消耗件間儘可能有最大的間隔。
17 避免將溫度敏感件彼此擠在一起，或安排在高功率消耗件或熱點(diǎn)旁邊。
18 利用自由對(duì)流冷卻的裝備，避免將其他零件安排在高功率消耗件的上方，正確的作法應(yīng)該是參差水平排列。

IC(積體電路)在PCB(印刷電路板)上的排列方式對(duì)其溫升的影響：

當(dāng)討論産品使用壽命時(shí)，一般都會(huì)採(cǎi)用"θ10℃法則"的表達(dá)方式。簡(jiǎn)單的說(shuō)可稱爲(wèi)"10℃法則"等，當(dāng)環(huán)境周圍溫度上升10℃時(shí)，産品壽命就會(huì)相對(duì)的減少一半，當(dāng)環(huán)境周圍溫度上升20℃時(shí)，産品壽命就會(huì)減少到四分之一。這種規(guī)則可以說(shuō)明溫度是如何影響産品壽命(失效)的。 相對(duì)的也可以利用提高試驗(yàn)溫度，來(lái)加速失效現(xiàn)象發(fā)生，進(jìn)行各種加速壽命的老化試驗(yàn)。 Arrhenius模型被廣泛地應(yīng)用于與溫度應(yīng)力有關(guān)的應(yīng)力加速壽命老化試驗(yàn)中。 以下為Arrhenius加速壽命模型：

A ：常數(shù) Ea：活化能(ev) R ：Boltzmann常數(shù)8.6159×10-5(ev/°K) T ：絕對(duì)溫度(°K) = 273.15 + 攝氏溫度t℃ t ：攝氏溫度(℃) T0：臨界溫度(°K) Ta：試驗(yàn)溫度(°K) L1：在Ta(°K)試驗(yàn)溫度下的壽命（小時(shí)） L2：在T0(°K)臨界溫度下的壽命（小時(shí)）

空氣冷卻風(fēng)速與溫度關(guān)係：

通電及冷卻的溫度變化示意圖：

各種冷卻技術(shù)之溫度控制范圍：

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