散热

作者：马玺

前两天周末，在家用投影放电影，突然投影画面灭了，风扇还在呼呼响。用手一摸投影机上壳，热得烫手。原来是风扇出风口被桌子挡住，热没散出去，设备自动关机了。放到空调风口下方吹了一会又自动开机了。

相信大家在夏天使用电脑，手机的时候也有类似的情况，要么自动关机，要么系统奇慢无比。

PCB上产生热最多的电路有两个部分，一是电源电路，二是处理器。电源系统由于不可避免的电源内阻，系统的工作电流越大，其产生的热量就越多。处理器由于其内部庞大的电路规模，其运行过程也会有明显的发热，并且其发热量与其运算速度成正比。

如果电路系统运行中产生高温，会带来哪些危害呢？主要有以下几点：

先来看看一张思维导图：

下面是详细的讲解：

（一）通过PCB板本身散热目前广泛应用的PCB板材是覆铜/环氧玻璃布基材或酚醛树脂玻璃布基材，还有少量使用的纸基覆铜板材。这些基材虽然具有优良的电气性能和加工性能，但散热性差，作为高发热元件的散热途径，几乎不能指望由PCB本身树脂传导热量，而是从元件的表面向周围空气中散热。但随着电子产品已进入到部件小型化、高密度安装、高发热化组装时代，若只靠表面积十分小的元件表面来散热是非常不够的。同时由于QFP、BGA等表面安装元件的大量使用，元器件产生的热量大量地传给PCB板，因此，解决散热的最好方法是提高与发热元件直接接触的PCB自身的散热能力，通过PCB板传导出去或散发出去。

在电子元器件的高速发展过程中，它们的总功率密度不断增大，但尺寸却越来越较小，热流密度因而持续增加，这种高温环境势必会影响电子元器件的性能指标。对此，必须要加强对电子元器件的热控制。如何解决电子元器件的散热问题是现阶段的重点。本文章主要对电子元器件的散热方法进行了简单的分析。

电子元器件的高效散热问题，受到传热学以及流体力学的原理影响。电气器件的散热就是对电子设备运行温度进行控制，进而保障其工作的温度以及安全性，主要涉及到散热、材料等各个方面的不同内容。现阶段电子元器件散热主要有自然、强制、液体、制冷、疏导、热隔离等方式。

自然散热或冷却方式

自然散热或冷却方式就是在自然的状况之下，不接受任何外部辅助能量的影响，通过局部发热器件以周围环境散热的方式进行温度控制，其主要的方式就是导热、对流以及辐射集中方式，而主要应用的就是对流以及自然对流等方式。

出于可靠性原因，处理大功率的集成电路越来越需要达到热管理要求。所有半导体都针对结温（TJ）规定了安全上限，通常为150°C（有时为175°C）。与最大电源电压一样，最大结温是一种最差情况限制，不得超过此值。在保守设计中，一般留有充分的安全裕量。请注意，这一点至关重要，因为半导体的寿命与工作结温成反比。简单而言，IC温度越低，越有可能达到最长寿命。

这种功率和温度限制是很重要的，典型的数据手册中都有描述，如图1所示。图中所示为一款8引脚SOIC器件AD8017AR。

任何散热解决方案的目标都是确保设备的工作温度不超过其制造商规定的安全限值。在电子工业中，这个工作温度被称为器件的“结温”。例如，在处理器中，这个术语字面上指的是电能转换为热量的半导体结。

为了保持工作，热量必须以确保可接受的结温的速率流出半导体。当热流从整个器件封装的结处移动时，这种热流遇到阻力，就像电子在流过导线时面对电阻一样。在热力学方面，这种电阻称为导电电阻，由几个部分组成。从结点开始，热量可以流向元件的壳体，可以放置散热器。这被称为ΘJC，或结至壳体的热阻。热量也可以从组件的顶部表面流出并流入板中。这被称为结到电路板电阻，或ΘJB

ΘJB定义为当热路径仅从结点到电路板时，结点和电路板之间的温差除以功率。为了测量ΘJB，器件的顶部是绝缘的，冷板连接到电路板边缘（图1）。这是真正的热阻，这是器件的特性。唯一的问题是，在实际应用中，人们不知道从不同路径传输了多少功率。