半导体元器件的热设计

一路上

热量通过物体和空间传递，传递是指热量从热源转移到他处。

三种热传递形式

热传递主要有三种形式：传导、对流和辐射。

• 传导：由热能引起的分子运动被传播到相邻分子。
• 对流：通过空气和水等流体进行的热转移。
• 辐射：通过电磁波释放热能。
  

散热路径

产生的热量通过传导、对流和辐射的方式经由各种路径逸出到大气中。由于我们的主题是“半导体元器件的热设计”，因此在这里将以安装在印刷电路板上的IC为例进行说明。

热源是IC芯片。该热量会传导至封装、引线框架、焊盘和印刷电路板。热量通过对流和辐射从印刷电路板和IC封装表面传递到大气中。可以使用热阻表示如下：

上图右上方的IC截面图中，每个部分的颜色与电路网圆圈的颜色相匹配（例如芯片为红色）。芯片温度TJ通过电路网中所示的热阻达到环境温度TA。

采用表面安装的方式安装在印刷电路板（PCB）上时，红色虚线包围的路径是主要的散热路径。

具体而言，热量从芯片经由键合材料（芯片与背面露出框架之间的粘接剂）传导至背面框架（焊盘），然后通过印刷电路板上的焊料传导至印刷电路板。然后，该热量通过来自印刷基板的对流和辐射传递到大气中（TA）。

其他途径还包括从芯片通过键合线传递到引线框架、再传递到印刷基板来实现对流和辐射的路径，以及从芯片通过封装来实现对流和辐射的路径。

如果知道该路径的热阻和IC的功率损耗，则可以通过热欧姆定律来计算温度差（在这里为TA和TJ之间的差）。

就如本文所讲的，所谓的“热设计”，就是努力减少各处的热阻，即减少从芯片到大气的散热路径的热阻， 最终TJ降低并且可靠性提高。

什么是热阻

热阻是表示热量传递难易程度的数值。是任意两点之间的温度差除以两点之间流动的热流量（单位时间内流动的热量）而获得的值。热阻值高意味着热量难以传递，而热阻值低意味着热量易于传递。

热阻的符号为Rth和θ。Rth来源于热阻的英文表达“thermal resistance”。
单位是℃/W（K/W）。

热欧姆定律

可以用与电阻几乎相同的思路来考虑热阻，并且可以以与欧姆定律相同的方式来处理热计算的基本公式。

因此，就像可以通过R×I来求出电位差⊿V一样，可以通过Rth×P来求出温度差⊿T。

关键要点：

• 热阻是表示热量传递难易程度的数值。
• 热阻的符号为Rth和θ，单位为℃/W（K/W）。
• 可以用与电阻大致相同的思路来考虑热阻。