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隨著現(xiàn)代印刷電路板 （PCB） 上的電子元件密度以及應(yīng)用功率的不斷增加，熱管理正變得越來(lái)越重要。這兩個(gè)因素都會(huì)導(dǎo)致單個(gè)元件和整個(gè)設(shè)備的溫度升高。然而，由于材料特性和可靠性方面的原因，設(shè)備中的每個(gè)電氣元件都必須在其規(guī)定的工作溫度范圍內(nèi)使用。在這篇文章中，提供了防止電子器件（如表面貼裝電阻器）過(guò)熱的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
電損耗和熱傳導(dǎo)
熱量隨著電損耗散失在電阻中（焦耳效應(yīng)），導(dǎo)致溫度上升。一旦出現(xiàn)溫度梯度，熱量就開(kāi)始流動(dòng)。經(jīng)過(guò)一定時(shí)間（取決于設(shè)備的熱容量和熱傳導(dǎo)特性），將達(dá)到穩(wěn)態(tài)條件。恒定熱流速 PH 與耗散電功率 Pel 相對(duì)應(yīng)（圖 1）。
由于通過(guò)某個(gè)物體的熱傳導(dǎo)性質(zhì)類似于電傳導(dǎo)的歐姆定律，該方程可以被重寫（見(jiàn)本文的傳熱基礎(chǔ)部分）：
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是熱阻，大小為 ［K/W］，對(duì)于與電子應(yīng)用相關(guān)的大多數(shù)材料和溫度體系，它可以被視為與溫度無(wú)關(guān)。
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圖 1：PCB 上片式電阻器主要熱流路徑示意圖。（圖片來(lái)源：Vishay Beyschlag）
熱阻
熱阻的近似模型
電子設(shè)備（如 PCB 上的表面貼裝電阻）的熱傳遞可以通過(guò)熱阻的近似模型來(lái)描述。這里，忽略了通過(guò)漆膜傳導(dǎo)和自由空氣對(duì)流從電阻膜傳遞到周圍空氣（環(huán)境）的直接熱量。因此，熱量通過(guò)氧化鋁基底、金屬芯片觸點(diǎn)和焊點(diǎn)傳播，最后通過(guò)電路板（包括覆銅 FR4）。PCB 的熱量通過(guò)自然對(duì)流轉(zhuǎn)移到周圍的空氣（圖 2）。
為簡(jiǎn)化起見(jiàn)，整體熱阻 RthFA 可描述為一系列熱敏電阻，界面上的相應(yīng)溫度如下：
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（3）
相應(yīng)的熱阻等效電路如圖 2 所示，其中
RthFC 是電阻元件的內(nèi)部熱阻，包括電阻層、基底和底部觸點(diǎn)；
RthCS 是焊點(diǎn)的熱阻；
RthSB 是 PCB 的熱阻，包括基準(zhǔn)焊墊、電路路徑和基材；
RthBA 是指從 PCB 表面到環(huán)境（周圍空氣）的熱傳遞熱阻；以及
RthFA 是指從電阻薄膜到環(huán)境（周圍空氣）的整體熱阻。
熱阻等效電路中給定的節(jié)點(diǎn)溫度對(duì)各自的界面有效：
?Film 是熱區(qū)的最高薄膜溫度；
?Contact 是底部觸點(diǎn)與焊點(diǎn)之間的界面溫度（對(duì)最小尺寸焊點(diǎn)有效，否則可能會(huì)產(chǎn)生某些平行熱阻）；
?Solder 是焊點(diǎn)與基準(zhǔn)焊墊（PCB 覆銅）之間界面的溫度；
?Board 是 PCB 表面的溫度；
?Ambient 是周圍空氣溫度。
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圖 2：PCB 上片式電阻器的近似熱阻等效電路。（圖片來(lái)源：Vishay Beyschlag）
熱傳遞基礎(chǔ)知識(shí)
熱能可以通過(guò)三種基本機(jī)制傳遞：傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射。
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其中 α 為對(duì)流系數(shù)，A 為處于溫度 ?1 物體的表面積，?2 為周圍流體（如空氣）的溫度。系數(shù) α 包括流體的材料屬性（熱容量和粘度）和流體運(yùn)動(dòng)的條件（流速、強(qiáng)制/非強(qiáng)制對(duì)流和幾何形狀）。此外，它還取決于溫差 ?1-?2 本身。因此，公式（7）看起來(lái)很簡(jiǎn)單，但對(duì)于解決傳熱問(wèn)題，系數(shù) α 幾乎總是需要估計(jì)或通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)確定。
輻射
熱輻射通量可由斯特凡-波爾茲曼定律描述（公式 （8）），在假設(shè)發(fā)射率和表面積相同的情況下，可得到不同溫度 ?1 和 ?2 的兩個(gè)物體之間的凈通量（公式 （9））。
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ε 為發(fā)射率，σ=5.67×10-8 Wm-2K-4 為斯特凡-玻爾茲曼常數(shù)，? 為表面 A 的溫度。然而，由于在低溫下輻射傳熱的貢獻(xiàn)很小，這里不按公式 （5） 考慮輻射熱傳遞。通常情況下，總熱量的 90% 以上會(huì)通過(guò)熱傳導(dǎo)散失。但是，對(duì)于紅外熱成像來(lái)說(shuō)，公式 （9） 具有基本意義。
電阻和熱阻的類比
通過(guò)一個(gè)電阻 R 的電流 I 與電動(dòng)勢(shì) U1 和 U2 的差值成正比。
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圖 3a：通過(guò)一個(gè)電阻的電流與電動(dòng)勢(shì) U1 和 U2 的差值成正比。（圖片來(lái)源：Vishay Beyshclag）
通過(guò)熱敏電阻 Rth 的熱流速 P 與 ?1 和 ?2 的溫差成正比。
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圖 3b：通過(guò)熱敏電阻的熱流速與 ?1 和 ?2 的溫差成正比。（圖片來(lái)源：Vishay Beyschlag）
與電阻類似，一個(gè)裝置中多個(gè)物體的熱阻可以用串聯(lián)和并聯(lián)熱敏電阻的網(wǎng)絡(luò)來(lái)描述，如下式所示為兩個(gè)熱敏電阻：
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內(nèi)部熱阻
內(nèi)部熱阻 RthFC 是一個(gè)取決于具體元器件的值，主要由陶瓷基材（特定的導(dǎo)熱率和幾何形狀）決定。
焊點(diǎn)熱阻
對(duì)于傳統(tǒng)焊接，熱阻 RthCS 可以忽略不計(jì)，因?yàn)楹噶系木唧w導(dǎo)熱率相對(duì)較高，而且橫截面積和流道長(zhǎng)度的比率很大（約 1K/W）。這是有道理的，特別是對(duì)于小位置。較大的焊點(diǎn)可視為底部觸點(diǎn)與另一熱敏電阻之間的額外平行熱敏電阻（從側(cè)面觸點(diǎn)到基準(zhǔn)焊墊），稍微增強(qiáng)熱傳導(dǎo)。因此，我們可以大致估算出該元件的整體熱阻，包括其焊點(diǎn)：
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（12）
注意，在焊接不當(dāng)?shù)那闆r下，熱阻 RthCS 將導(dǎo)致更高的整體熱阻。特別是，焊料中的空隙或焊料潤(rùn)濕不足可能會(huì)導(dǎo)致明顯的接觸熱阻或流動(dòng)路徑的橫截面積減少，從而將導(dǎo)致熱性能惡化。
特定應(yīng)用的熱阻
整體熱阻 RthFA 包括電阻元件本身和 PCB 的熱特性，包括其對(duì)環(huán)境散熱能力。焊點(diǎn)到環(huán)境的熱阻 RthSA 在很大程度上取決于電路板的設(shè)計(jì)，它對(duì)總熱阻 RthFA 有巨大的影響（特別是對(duì)于極低的具體元件 RthFC 值）。板對(duì)環(huán)境的熱阻 RthBA 包括環(huán)境條件，如氣流。選擇材料和尺寸是電路設(shè)計(jì)師的責(zé)任。
熱阻的實(shí)驗(yàn)測(cè)定
紅外線熱成像
紅外線熱成像被廣泛用于熱學(xué)實(shí)驗(yàn)。圖 6 所示為室溫 200 mW 負(fù)載下 0603 片式電阻器的紅外熱圖像。可以觀察到最高溫度在漆面中心。焊點(diǎn)溫度比最高溫度低約 10 K。不同的環(huán)境溫度會(huì)導(dǎo)致觀察到的溫度發(fā)生變化。
整體熱阻的確定
熱阻可以通過(guò)檢測(cè)最大薄膜溫度作為穩(wěn)態(tài)條件下耗散功率的函數(shù)來(lái)確定。為確定單個(gè)元件的整體熱阻 RthFA，使用了標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試 PCB（1）。測(cè)量中心位置元件。由于公式 （1） 可以改寫為
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（13）
一個(gè)簡(jiǎn)單的近似值直接導(dǎo)出 0603 片式電阻器的熱阻 RthFA = 250 K/W （圖 4）。
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圖 4：標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試 PCB 上的 MCT 0603 片式電阻器的溫升與耗散功率的關(guān)系。（圖片來(lái)源：Vishay Beyschlag）
集成水平
安裝在 PCB 上的一個(gè) 1206 片式電阻器（圖 5A）將導(dǎo)致整體熱阻 RthFA = 157 K/W（圖 7）。PCB 上的額外電阻（每個(gè)負(fù)載相同，圖 5B 和 C）正導(dǎo)致溫升增強(qiáng)（5 個(gè)電阻和 10 個(gè)電阻分別為 204K/W，為 265K/W）。
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圖 5：標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試 PCB 上的一個(gè) （A）、五個(gè) （B） 和十個(gè) （C） 片式電阻器的示意圖。（圖片來(lái)源：Vishay Beyschlag）
所有數(shù)據(jù)都來(lái)自于標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試板。然而，這些數(shù)據(jù)可用于不同元器件的比較以及對(duì)特定設(shè)計(jì)散熱能力的一般評(píng)估，盡管不同設(shè)計(jì)的絕對(duì)值會(huì)發(fā)生變化。這些數(shù)據(jù)也可以隨時(shí)用于驗(yàn)證數(shù)值模擬。
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圖 6：200 mW 時(shí) 0603 片式電阻器的原理圖 （A） 和紅外熱像 （B） （環(huán)境溫度 23℃，標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試 PCB）。（圖片來(lái)源：Vishay Beyschlag）
測(cè)定元器件的內(nèi)部熱阻
用一個(gè)具有高導(dǎo)熱率和熱容量趨于無(wú)窮大的理想體來(lái)代替 PCB（在現(xiàn)實(shí)世界中，一個(gè)大銅塊就是合適的理想體，圖 8），導(dǎo)致
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圖 7：溫升和 RthFA 熱阻（由實(shí)驗(yàn)確定的最大薄膜溫度得出，與耗散功率相關(guān)）（圖片來(lái)源：Vishay Beyschlag）
同樣，內(nèi)部熱阻 RthFC 是通過(guò)實(shí)驗(yàn)，由紅外熱成像檢測(cè)薄膜最大溫度，以耗散功率函數(shù)方式確定。標(biāo)準(zhǔn) PCB 用兩個(gè)電氣隔離的銅塊（60 mm x 60 mm x 10 mm）取代。圖 9 給出了一些無(wú)源元件的內(nèi)部熱阻 RthFC 值，如片式電阻器、片式電阻器陣列和 MELF 電阻器，如圖 10 所示。
因此，熱阻是隨著接觸寬度的增加而減少的（表 1）。寬終端電阻器提供了熱阻和芯片尺寸的最佳比例。0406 寬終端片式電阻器的內(nèi)部熱阻（30K/W）與 1206 片式電阻器的熱阻 （32 K/W） 幾乎相同。
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圖 8：大銅塊上片式電阻器的主要熱流路徑和相應(yīng)的近似熱阻等效電路示意圖。（圖片來(lái)源：Vishay Beyschlag）
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圖 9：由實(shí)驗(yàn)確定最大薄膜溫度得出的內(nèi)部熱阻 RthFC 與耗散功率的關(guān)系。（圖片來(lái)源：Vishay Bayschlag）
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圖 10：不同類型和尺寸的表面貼裝電阻器。（圖片來(lái)源：Vishay Beyschlag）
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表 1：實(shí)驗(yàn)確定的表面貼裝電阻器內(nèi)部熱阻。
結(jié)論
PCB 設(shè)計(jì)和整個(gè)裝置的環(huán)境條件主要決定了整體熱阻RthFA。正如所展示的那樣，降低散熱部件的集成度也導(dǎo)致了單個(gè)部件的溫度降低。這與目前的小型化趨勢(shì)矛盾，但在某些局部板塊領(lǐng)域可能可以考慮。除了改變 PCB 設(shè)計(jì)，通過(guò)選擇優(yōu)化的元件，如寬終端電阻器（如芯片尺寸 0406），可以在元件層面上大大增強(qiáng)散熱效果。
一些基本注意事項(xiàng)對(duì)于防止表面貼裝電阻器應(yīng)用中的過(guò)熱是很有用的。
散熱可以通過(guò)近似的熱阻模型來(lái)描述，并通過(guò)具有足夠空間和熱分辨率的紅外熱成像來(lái)分析。
具體部件的內(nèi)部熱阻 RthFC 可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)確定。
整體熱阻 RthFA 包括電阻元件本身和 PCB 的熱特性，包括其對(duì)環(huán)境散熱能力。它一般由后者的外部影響所主導(dǎo)。熱管理，特別是涉及 PCB 設(shè)計(jì)和應(yīng)用的環(huán)境條件，是電路設(shè)計(jì)師的責(zé)任。
溫度在覆蓋電阻層的漆面中央達(dá)到最高。應(yīng)注意焊縫的連接。通常，低于最高溫度約 10K 的溫度可能與焊料熔化溫度、金屬間相的產(chǎn)生或 PCB 分層有關(guān)。特別是在環(huán)境溫度升高的情況下，必須考慮這個(gè)問(wèn)題。
選擇溫度穩(wěn)定的電阻元件、焊料和 PCB 基材，是至關(guān)重要的。薄膜芯片和 MELF 電阻等汽車級(jí)產(chǎn)品（最高工作膜溫度可達(dá) 175℃）適用于許多應(yīng)用。
增強(qiáng)散熱的熱性能可以通過(guò)以下方式實(shí)現(xiàn)
PCB 設(shè)計(jì)（如基材、基準(zhǔn)焊墊和電路路徑）
整個(gè)裝置的環(huán)境條件（對(duì)流傳熱）
降低散熱部件的集成度
采用散熱優(yōu)化的元件（寬端電阻器）
注
根據(jù) EN140400，2.3.3： FR4 基材 100 mm x 65 mm x 1.4 mm，35 μm 銅層，焊墊/電路路徑 2.0 mm 寬度。
工商網(wǎng)監(jiān)
評(píng)論