现代电子产品热阻介绍

随着设备变得更强大、尺寸更小巧紧凑，不同行业的工程师一直在电子产品的热管理上努力不懈。虽然有许多创意的解决方案可以藉由风扇、液体冷却器、导热管等高温导热器件将热能带走，但器件本身也有许多进展，从根本上优化热性能。为了帮助您更好地了解如何优化您的器件和热管理系统，本文概述电子产品中热性能的主要器件，并指出一些关键参数让您可以在器件上进行操作以优化散热系统灵活度和性能表现。

工作环境温度

在设计最终产品如IoT 设备、医疗工具或工业传感器器件时，几乎每个器件都将最高环境工作温度作为参数。最高环境温度是由该器件的制造商设定，以确保设备的性能达到可接受的标准且物理特性不受损害。例如，一些开关晶体管可以承受非常高的功率负载，但如果暴露在过高的环境温度下，它们内部的半导体结会熔化。此外，温度会直接影响材料的导电特性，如果超过最高工作温度可能会改变器件的性能。

从源头移除热量

具有固定内部功耗和环境温度阈值的设备与大多数功率转换设备和 IC 一样，外壳的表面温度取决于内部热阻和热传递的效率。内部热阻是描述热量从热源传到器件表面的效率。然而，当大多数人想到热管理时，他们会想到器件向环境传热的效率，即为对流、传导或辐射传热。这些方法通常是被动式热交换器、风扇、液体冷却系统、热管和散热器等。

图5.7：安装在PCB 上圆柱形电容的散热路径

保持良好的外壳温度的最佳方法是直接改变设备的内部热阻以及向周围环境散热的效率。一个完美热管理的设备具有零热阻和无限的热耗散。然而，由于器件是由真实世界的材料制成的，每种材料都有自己独特的热阻特性，加上没有任何一个系统可以完美传递热量，因此系统设计人员必须从设计初期就设法优化每个关键器件的热性能。

固定变量

正如许多设计人员所知，应用的各种参数通常是固定的，所以需要开发设计以满足这些要求。在某些情况下，器件的效率、环境温度和系统的传热机制取决于最终应用。在许多情况下，器件如果要达到可接受的工作条件和低外壳温度，唯一的方法就是选择改善内部热设计和选择内部热阻较低的器件。
  
优化的内部热阻

有两个关键参数可供检视，一个是器件的整体热阻而另一个是结温和环境温度之间的热阻 - Ψjt和θja。Ψjt和θja都是每个器件独一无二的热阻参数，并且会因封装的不同而异。Ψjt是热特性参数，用来测量热源和封装表面之间的多个热流路径，而θja代表热源和环境温度之间的直线热阻。Ψjt与功率相关，在更高的功耗和外壳温度下Ψjt的增加最终会降低器件的性能。即使优化了Ψjt，高θja电阻值也会导致外壳温度过高和受限的环境工作温度。

图片来源：Ricoh

有许多改善方式能够降低Ψjt和θja，例如材料优化、制造技术和不同的结到环境的热传递方法。其中一个降低热阻的最新进展是 3D Power Packaging®。 使用 3D Power Packaging® (3DPP) 技术，例如 FCOL、嵌入式 IC、散热孔等，RECOM 成功地大幅改善了Ψjt和θja值。通过降低 3DPP 产品的这些数值可以在不限制设备的环境温度的情况下达到更高的功率表现。高功率密度的解决方案如3DPP等产品，是专为高性能又高效的设备所设计，无需使用主动冷却或大型被动散热器。