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現代電子產品熱阻介紹

發布時間:2022-02-14 責任編輯:wenwei

【導讀】隨著設備變得更強大、尺寸更小巧緊湊,不同行業的工程師一直在電子產品的熱管理上努力不懈。雖然有許多創意的解決方案可以藉由風扇、液體冷卻器、導熱管等高溫導熱器件將熱能帶走,但器件本身也有許多進展,從根本上優化熱性能。為了幫助您更好地了解如何優化您的器件和熱管理系統,本文概述電子產品中熱性能的主要器件,并指出一些關鍵參數讓您可以在器件上進行操作以優化散熱系統靈活度和性能表現。


工作環境溫度 


在設計最終產品如IoT 設備、醫療工具或工業傳感器器件時,幾乎每個器件都將最高環境工作溫度作為參數。最高環境溫度是由該器件的制造商設定,以確保設備的性能達到可接受的標準且物理特性不受損害。例如,一些開關晶體管可以承受非常高的功率負載,但如果暴露在過高的環境溫度下,它們內部的半導體結會熔化。此外,溫度會直接影響材料的導電特性,如果超過最高工作溫度可能會改變器件的性能。 


從源頭移除熱量 


具有固定內部功耗和環境溫度閾值的設備與大多數功率轉換設備和 IC 一樣,外殼的表面溫度取決于內部熱阻和熱傳遞的效率。內部熱阻是描述熱量從熱源傳到器件表面的效率。然而,當大多數人想到熱管理時,他們會想到器件向環境傳熱的效率,即為對流、傳導或輻射傳熱。這些方法通常是被動式熱交換器、風扇、液體冷卻系統、熱管和散熱器等。 


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圖5.7:安裝在PCB 上圓柱形電容的散熱路徑


保持良好的外殼溫度的最佳方法是直接改變設備的內部熱阻以及向周圍環境散熱的效率。一個完美熱管理的設備具有零熱阻和無限的熱耗散。然而,由于器件是由真實世界的材料制成的,每種材料都有自己獨特的熱阻特性,加上沒有任何一個系統可以完美傳遞熱量,因此系統設計人員必須從設計初期就設法優化每個關鍵器件的熱性能。 


固定變量 


正如許多設計人員所知,應用的各種參數通常是固定的,所以需要開發設計以滿足這些要求。在某些情況下,器件的效率、環境溫度和系統的傳熱機制取決于最終應用。在許多情況下,器件如果要達到可接受的工作條件和低外殼溫度,唯一的方法就是選擇改善內部熱設計和選擇內部熱阻較低的器件。 


優化的內部熱阻 


有兩個關鍵參數可供檢視,一個是器件的整體熱阻而另一個是結溫和環境溫度之間的熱阻 - Ψjt和θja。Ψjt和θja都是每個器件獨一無二的熱阻參數,并且會因封裝的不同而異。Ψjt是熱特性參數,用來測量熱源和封裝表面之間的多個熱流路徑,而θja代表熱源和環境溫度之間的直線熱阻。Ψjt與功率相關,在更高的功耗和外殼溫度下Ψjt的增加最終會降低器件的性能。即使優化了Ψjt,高θja電阻值也會導致外殼溫度過高和受限的環境工作溫度。 


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有許多改善方式能夠降低Ψjt和θja,例如材料優化、制造技術和不同的結到環境的熱傳遞方法。其中一個降低熱阻的最新進展是 3D Power Packaging?。 使用 3D Power Packaging? (3DPP) 技術,例如 FCOL、嵌入式 IC、散熱孔等,RECOM 成功地大幅改善了Ψjt和θja值。通過降低 3DPP 產品的這些數值可以在不限制設備的環境溫度的情況下達到更高的功率表現。高功率密度的解決方案如3DPP等產品,是專為高性能又高效的設備所設計,無需使用主動冷卻或大型被動散熱器。 


來源:RECOM



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