表面換熱阻

熱阻(thermalresistance)

當(dāng)熱量在物體內(nèi)部以熱傳導(dǎo)的方式傳遞時(shí)，遇到的阻力稱為導(dǎo)熱熱阻。對(duì)于熱流經(jīng)過(guò)的截面積不變的 平板，導(dǎo)熱熱阻為為L(zhǎng)/(k*A)。其中L為平板的厚度，A為平板垂直于熱流方向的截面積，k為平板材料的熱導(dǎo)率。

在對(duì)流換熱過(guò)程中，固體壁面與流體之間的熱阻稱為對(duì)流換熱熱阻，1/(hA)。其中h為對(duì)流換熱系數(shù)，A為換熱面積。兩個(gè)溫度不同的物體相互輻射換熱時(shí)的熱阻稱為輻射熱阻。如果兩個(gè)物體都是黑體(見(jiàn)黑體和灰體)，且忽略兩物體間的氣體對(duì)熱量的吸收，則輻射熱阻為1/(A1F1-2)或1/(A2F2-1)。其中A1和A2為兩個(gè)物體相互輻射的表面積，F(xiàn)1-2和F2-1為輻射角系數(shù)。

當(dāng)熱量流過(guò)兩個(gè)相接觸的固體的交界面時(shí)，界面本身對(duì)熱流呈現(xiàn)出明顯的熱阻，稱為接觸熱阻。產(chǎn)生接觸熱阻的主要原因是，任何外表上看來(lái)接觸良好的兩物體，直接接觸的實(shí)際面積只是交界面的一部分(見(jiàn)圖)，其余部分都是縫隙。熱量依靠縫隙內(nèi)氣體的熱傳導(dǎo)和熱輻射進(jìn)行傳遞，而它們的傳熱能力遠(yuǎn)不及一般的固體材料。接觸熱阻使熱流流過(guò)交界面時(shí)，沿?zé)崃鞣较驕囟?T發(fā)生突然下降，這是工程應(yīng)用中需要盡量避免的現(xiàn)象。減小接觸熱阻的措施是:①增加兩物體接觸面的壓力，使物體交界面上的突出部分變形，從而減小縫隙增大接觸面。②在兩物體交界面處涂上有較高導(dǎo)熱能力的膠狀物體──導(dǎo)熱脂。

單位-K.㎡/w

一般，熱阻公式中，Tcmax =Tj - P*Rjc的公式是在假設(shè)散熱片足夠大而且接觸足夠良好的情況下才成立的，否則還應(yīng)該寫(xiě)成 Tcmax =Tj - P*(Rjc+Rcs+Rsa). Rjc表示芯片內(nèi)部至外殼的熱阻，Rcs表示外殼至散熱片的熱阻，Rsa表示散熱片的熱阻，沒(méi)有散熱片時(shí)，Tcmax =Tj - P*(Rjc+Rca)。 Rca表示外殼至空氣的熱阻.一般使用條件用Tc =Tj - P*Rjc的公式近似。 廠家規(guī)格書(shū)一般會(huì)給出Rjc，P等參數(shù)。一般P是在25度時(shí)的功耗.當(dāng)溫度大于25度時(shí)，會(huì)有一個(gè)降額指標(biāo)。

舉個(gè)實(shí)例:一、三級(jí)管2N5551 規(guī)格書(shū)中給出25度(Tc)時(shí)的功率是1.5W(P)，Rjc是83.3℃/W。此代入公式有:25=Tj-1.5*83.3，可以從中推出Tj為150度。芯片最高溫度一般是不變的。所以有Tc=150-Ptc*83.3，其中Ptc表示溫度為T(mén)c時(shí)的功耗.假設(shè)管子的功耗為1W，那么，Tc=150-1*83.3=66.7度。注意，此管子25度(Tc)時(shí)的功率是1.5W，如果殼溫高于25度，功率就要降額使用.規(guī)格書(shū)中給出的降額為12mW/度(0.012W/度)。我們可以用公式來(lái)驗(yàn)證這個(gè)結(jié)論.假設(shè)溫度為T(mén)c，那么，功率降額為0.012*(Tc-25)。則此時(shí)最大總功耗為1.5-0.012*(Tc-25)。把此時(shí)的條件代入公式得出: Tc=150-(1.5-0.012*(Tc-25))×83.3，公式成立. 一般情況下沒(méi)辦法測(cè)Tj，可以經(jīng)過(guò)測(cè)Tc的方法來(lái)估算Ttj，公式變?yōu)? Tj=Tc+P*Rjc。

同樣以2N5551為例.假設(shè)實(shí)際使用功率為1.2W，測(cè)得殼溫為60度，那么: Tj=60+1.2*83.3=159.96此時(shí)已經(jīng)超出了管子的最高結(jié)溫150度了!按照降額0.012W/度的原則，60度時(shí)的降額為(60-25)×0.012=0.42W,1.5-0.42=1.08W.也就是說(shuō)，殼溫60度時(shí)功率必須小于1.08W，否則超出最高結(jié)溫.假設(shè)規(guī)格書(shū)沒(méi)有給出Rjc的值，可以如此計(jì)算: Rjc=(Tj-Tc)/P，如果也沒(méi)有給出Tj數(shù)據(jù)，那么一般硅管的Tj最大為150至175度.同樣以2N5551為例。知道25度時(shí)的功率為1.5W，假設(shè)Tj為150，那么代入上面的公式: Rjc=(150-25)/1.5=83.3 如果Tj取175度則 Rjc=(175-25)/1.5=96.6 所以這個(gè)器件的Rjc在83.3至96.6之間.如果廠家沒(méi)有給出25度時(shí)的功率.那么可以自己加一定的功率加到使其殼溫達(dá)到允許的最大殼溫時(shí)，再把數(shù)據(jù)代入: Rjc=(Tjmax-Tcmax)/P 有給Tj最好，沒(méi)有時(shí)，一般硅管的Tj取150度。

我還要作一下補(bǔ)充說(shuō)明。

可以把半導(dǎo)體器件分為大功率器件和小功率器件。

1、大功率器件的額定功率一般是指帶散熱器時(shí)的功率，散熱器足夠大時(shí)且散熱良好時(shí)，可以認(rèn)為其表面到環(huán)境之間的熱阻為0，所以理想狀態(tài)時(shí)殼溫即等于環(huán)境溫度.功率器件由于采用了特殊的工藝，所以其最高允許結(jié)溫有的可以達(dá)到175度。但是為了保險(xiǎn)起見(jiàn)，一律可以按150度來(lái)計(jì)算.適用公式:Tc =Tj - P*Rjc.設(shè)計(jì)時(shí)，Tj最大值為150,Rjc已知，假設(shè)環(huán)境溫度也確定，根據(jù)殼溫即等于環(huán)境溫度，那么此時(shí)允許的P也就隨之確定.

2、小功率半導(dǎo)體器件，比如小晶體管，IC，一般使用時(shí)是不帶散熱器的。所以這時(shí)就要考慮器件殼體到空氣之間的熱阻了。一般廠家規(guī)格書(shū)中會(huì)給出Rja，即結(jié)到環(huán)境之間的熱阻.(Rja=Rjc+Rca)。同樣以三級(jí)管2N5551為例，其最大使用功率1.5W是在其殼溫25度時(shí)取得的.假設(shè)此時(shí)環(huán)境溫度恰好是25度，又要消耗1.5W的功率，還要保證殼溫也是25度，唯一的可能就是它得到足夠良好的散熱!但是一般像2N5551這樣TO-92封裝的三極管，是不可能帶散熱器使用的。所以此時(shí)，小功率半導(dǎo)體器件要用到的公式是: Tc =Tj - P*Rja。 Rja:結(jié)到環(huán)境之間的熱阻.一般小功率半導(dǎo)體器件的廠家會(huì)在規(guī)格書(shū)中給出這個(gè)參數(shù)。2N5551的Rja廠家給的值是200度/W。已知其最高結(jié)溫是150度，那么其殼溫為25度時(shí)，允許的功耗可以把上述數(shù)據(jù)代入Tc =Tj - P*Rja 得到 25=150-P*200，得到P=0.625W。事實(shí)上，規(guī)格書(shū)中就是0.625W.因?yàn)?N5551不會(huì)加散熱器使用，所以我們平常說(shuō)的2N5551的功率是0.625W而不是1.5W!還有要注意，SOT-23封裝的晶體管其額定功率和Rja數(shù)據(jù)是在焊接到規(guī)定的焊盤(pán)(有一定的散熱功能)上時(shí)測(cè)得的。

3、另外告訴大家一個(gè)竅門(mén)，其實(shí)一般規(guī)格書(shū)中的最大允許儲(chǔ)存溫度其實(shí)也是最大允許結(jié)溫。最大允許操作溫度其實(shí)也就是最大允許殼溫.最大允許儲(chǔ)存溫度時(shí)，功率P當(dāng)然為0，所以公式變?yōu)門(mén)cmax =Tjmax - 0*Rjc，即Tcmax =Tjmax。是不是很神奇!最大允許操作溫度，一般民用級(jí)(商業(yè)級(jí))為70度，工業(yè)級(jí)的為80度.普通產(chǎn)品用的都是民用級(jí)的器件，工業(yè)級(jí)的一般貴很多。 熱路的計(jì)算，只要抓住這個(gè)原則就可以了:從芯片內(nèi)部開(kāi)始算起，任何兩點(diǎn)間的溫差，都等于器件的功率乘以這兩點(diǎn)之間的熱阻.這有點(diǎn)像歐姆定律。任何兩點(diǎn)之間的壓降，都等于電流乘以這兩點(diǎn)間的電阻。不過(guò)要注意，熱量在傳導(dǎo)過(guò)程中，任何介質(zhì)，以及任何介質(zhì)之間，都有熱阻的存在，當(dāng)然熱阻小時(shí)可以忽略.比如散熱器面積足夠大時(shí)，其與環(huán)境溫度接近，這時(shí)就可以認(rèn)為熱阻為0.如果器件本身的熱量就造成了周?chē)h(huán)境溫度上升，說(shuō)明其散熱片(有散熱片的話)或外殼與環(huán)境之間的熱阻比較大!這時(shí)，最簡(jiǎn)單的方法就是直接用Tc =Tj - P*Rjc來(lái)計(jì)算.其中Tc為殼溫，Rjc為結(jié)殼之間的熱阻.如果你Tc換成散熱片(有散熱片的話)表面溫度，那么公式中的熱阻還必須是結(jié)殼之間的加上殼與散熱器之間的在加散熱器本身的熱阻!另外，如果你的溫度點(diǎn)是以環(huán)境來(lái)取點(diǎn)，那么，想想這中間包含了還有哪些熱路吧。比如，散熱片與測(cè)試腔體內(nèi)空氣之間的熱阻，腔體內(nèi)空氣與腔體外空氣間的熱阻.這樣就比較難算了。