热设计所需的知识涵盖领域广泛。本节将介绍一下热阻和散热的基础知识。相关热设计简介可参考上一篇
04 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。
05
传热和散热路径
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。
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。
06 传导中的热阻
热传导是指物质间、分子间的热能移动。这种传导方式的热阻如下图和公式所示。
从图中可以看出，截面积为A、长度为L的物质一端的温度T1通过传导变为温度T2。
第一个公式表示T1和T2之间的温度差是用红色虚线围起来的项乘以热流量P得到的值。
最下面的公式表示用红色虚线围起来的项相当于热阻Rth。
从上图和公式中的各个项看，应该可以很容易理解，传导中的热阻基本上与导体的薄层电阻思路相同。众所周知，薄层电阻可以通过用电阻率代替红色虚线框中的热导率来计算。正如电阻率对于不同的导体材料具有固有的值一样，热导率也是如此。
从热阻公式来看，传导中的热阻随着物体截面积的增加或长度的缩短而下降。
用来求得（T1-T2）的公式，最终变为热阻Rth × 热流量P，符合“什么是热阻？”中提到的“热欧姆定律”。
07 对流中的热阻
什么是对流？
对流有几种类型，先来了解一下术语及其定义。另外，下面还给出了对流示意图。
对流中的热阻
下面是表示对流热阻的公式。
对流中的热阻是对流传热系数hm与发热物体的表面积A乘积的倒数。从公式中可以看出，对流换热热阻随着物体表面积的增加而减小。
对流传热系数hm因对流类型而异。上面还分别给出了自然对流和强制对流（层流和湍流）的hm。
08 辐射中的热阻
什么是辐射？
辐射是通过电磁波来传递热量的方式。其机理与通过分子传递热量的传导和对流的机理不同。即使在没有物体或流体的真空中也可以传递热量。
辐射中的热阻
下面是表示辐射热阻的公式。
辐射热阻是辐射传热系数与发热体表面积之积的倒数。从公式可以看出，物体的表面积、温度和辐射率均会影响辐射热阻。
至此，我们已经了解了三种热传递方式——传导、对流和辐射的热阻公式。这些都是很基础的公式，可以通过公式确认各项与热阻之间的关系。
09 热阻数据：JEDEC标准及热阻测量环境和电路板
JEDEC标准
JEDEC（Joint Electron Device Engineering Council）是一个推动半导体元器件领域标准化的行业组织。半导体制造商以及电力电子领域的从业者不可避免地会涉及到很多行业标准。作为大原则，无论热相关的项目还是其他项目，其测试方法和条件等都要符合行业标准。其原因不言而喻：因为如果方法和条件各不不同，就无法比较和判断好坏。
在JEDEC标准中，与“热”相关的标准主要有两个：
JESD51系列： 包括IC等的封装的“热”相关的大多数标准。
JESD15系列： 对仿真用的热阻模型进行标准化。
JESD51系列中具有代表性的热标准如下：
热阻测试环境
JESD51-2A中规定了热阻测试环境。以下是符合JESD51-2A的热阻测试环境示例。
通过将测量对象置于亚克力箱内，使其处于Still Air（静态空气）状态，消除周围大气流动的影响，测试对象处于自然空冷状态。此外，通过始终将测试对象设置在同一位置，来确保测试的高再现性。
热阻测试电路板
对于用来测试热阻的电路板也有规定。
JESD51-3/5/7中规定了通常被称为“JEDEC板”的电路板。下面是其中一个示例：
热阻数据基本上要按照标准规范来获取，通常都明确规定了需要遵循的标准。
10 热阻数据：实际的数据示例
通常在IC的技术规格书中都会提供IC热阻相关的信息。但是，所提供的热阻类型和设置可能会因IC的种类（例如用于信号处理的低功耗运算放大器、用于供电的热设计很重要的稳压器等）不同而略有不同。另外，也会因IC制造商而异。
下面是500mA输出LDO线性稳压器的技术规格书中提供的热阻信息示例。
这款IC有两种封装，因此提供了每种封装（TO263-5、TO252-J5）的热阻。顺便提一下，这两种封装都是带散热片的电源系统5引脚表贴型封装。
下面来看一下具体内容。如Note 1所示，该热阻数据符合前文所述的 JESD51-2A（Still-Air）标准（红框部分）。
提供的热阻为以下两种：
・Junction to Ambient：θJA（℃/W）
・Junction to Top Characterization Parameter：ΨJT（℃/W）
此外，还给出了每种热阻在两种电路板条件下的值，一种是安装于1层电路板上，另一种是安装于4层电路板上。1层电路板如Note 3所示是符合JESD51-3的电路板，4层电路板是符合JESD51-5和7的电路板（Note 4）。表中列出了每种电路板的条件。
热阻与实装电路板之间的关系
在上例中，作为热阻条件，明确列出了JESD51中规定的实装电路板的条件。这意味着热阻不仅仅由IC封装决定，很大程度上还受到其实装电路板条件的影响。近年来，表贴型封装的应用非常广泛，在考虑IC的热阻时，必须要考虑到实装电路板的散热（降低热阻）情况。仅根据封装的热阻进行热计算是不现实的。
该图显示了每种热阻（θJA、ΨJT）与散热用的铜箔面积之间的关系。这是用于测试的封装为背面带散热片的8引脚SOP型封装、铜箔面积为15.7mm2到1200mm2条件下的数据。其他因素还包括电路板层数、材料和铜箔厚度等，不过在这个关系示意图中，请将这些因素视为条件相同，在此前提下来看铜箔面积与热阻之间的关系。
在本例中，从IC的结点（芯片）经由实装电路板到环境（大气）的热阻θJA和铜箔面积的关系非常显著。实际上，需要确保散热所需（即适当的θJA）的铜箔面积，以免在使用条件下超过Tjmax。
反之，如果未明确说明所提供的热阻的条件，则必须要确认其条件。上例中的数值表明，热阻会因条件不同而有很大不同。
11 热阻数据：热阻和热特性参数的定义
θJA和ΨJT的定义
先温习一下上一篇中的部分内容：
・θJA（℃/W）：结点-周围环境间的热阻
・ΨJT（℃/W）：结点-封装上表面中心间的热特性参数
为了便于具体理解这两个概念，下面给出了表示θJA和ΨJT的示意图。
θJA是从结点到周围环境之间的热阻，存在多条散热路径。ΨJT是从结点到封装上表面中心的热特性参数。
此外，还定义了结点与封装上表面之间的热阻θJC-TOP和结点与封装下表面之间的热阻θJC-BOT，如下图所示。请注意，θJC-TOP和ΨJT之间存在细微差别，即“封装上表面”和“封装上表面中心”的差异。
这些均在JEDEC标准的JESD51中进行了定义。下表中汇总了每种概念的定义、用途及计算公式。
※1：环境温度（TA）是指不受测试对象器件影响的位置的周围环境温度。在发热源的边界层的外侧。
※2：θJA和ΨJT是实际安装在JEDEC电路板上时的数据。
※3：θJC-TOP和θJC-BOT根据JESD51-14（TDI法）标准测试。
