电子器件与组件结构设计 王华涛 哈尔滨工业大学（威海） 材料科学与工程学院 办公室：A 楼208 Tel：

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1 电子器件与组件结构设计 王华涛 哈尔滨工业大学（威海） 材料科学与工程学院 办公室：A 楼208 Tel：5297952
留下板书 2012年春

2 第二章 热控制 2.2 热控制基础 2.2.1 传导 2.2.2 对流 牛顿冷却定律 热传递系数 热阻 层流、紊流 5.45

3 2.2.2 对流>牛顿冷却定律 传导？ 热控制基础 热传导 推导h的单位？ 对流 牛顿冷却定律 从固体向流体的传热现象称为对流。
热对流可以分为两种机制 一类是在固体表面附近的准静态分子的热交换，类似于热传导 另一类是由于固体表面流体的整体运动所产生的热传递 牛顿冷却定律 表面和流体之间的对流散热可用热流量与温度差的线性关系来描述。（注：与热传导不同） 式中： h是热传递系数，单位W/(m2·K)；A是浸湿面的面积； Ts是表面温度；Tf是附近流体的温度 与热传导，线性关系是一致的，温度差 热传导 流体？ 传热 写下公式 推导h的单位？

4 2.2.2 对流>牛顿冷却定律 T1 Ts Tf T1 Tf Ts q L/kA 1/hA L 牛顿冷却定律 热传导
表面和流体之间的对流散热可用热流量与温度差的线性关系来描述，与热传导不同，但可以转换为热传导的格式（热阻） T1 Ts Tf 热传导 空气 T1 Tf Ts q L/kA 1/hA L

5 2.2.2 对流>牛顿冷却定律 牛顿冷却定律 理解 h，热传递系数， 介质带走热量的能力 是属性么？
表面和流体之间的对流散热可用热流量与温度差的线性关系来描述，与热传导不同，可以转换为热传导的格式（热阻） 理解 h、A固定，温度差越大，q越大 温度差、A固定，h越大，q越大 温度差、h固定，A越大，q越大 h，热传递系数， 介质带走热量的能力 是属性么？ 问题？ h，是属性么？

6 Newton' s law of cooling qconv q

7 convection

8 ‘bɔiənsi 浮力 From Fundamentals of Heat and Mass Transfer,7th Edition

9 2.2.2 对流>热传递系数 h，热传递系数 介质带走热量的能力 流体对流热传递系数的典型数值，与流速、温度相关
高速循环流体与低速循环流体对流换热的差异，以及不同流体的对流运输特性，用不同的传热系数来反映。 介质带走热量的能力 流体对流热传递系数的典型数值，与流速、温度相关 自然对流 强迫对流 相变，沸腾 冷凝 气、液为什么会有这差别？ 不同的液会有差别么？ 为什么？ From Fundamentals of Heat and Mass Transfer,7th Edition

10 Typical heat transfer coefficients for various dielectric fluids.
FIGURE 15–62 Typical heat transfer coefficients for various dielectric fluids. (From Hwang and Moran, 1981.) 含氟气体 硅油 变压器油 From “Fundamentals of Heat and Mass Transfer”,7th Edition

11 电子器件与组件结构设计 王华涛 哈尔滨工业大学（威海） 材料科学与工程学院 办公室：A 楼208 Tel：5297952
留下板书 2012年春 第四讲

12 Questions & answers 2mins
汉英互译 thermal resistance contact thermal resistance fluid aluminum stainless grease solid/solid interface silicon chip power dissipation forced convection natural/free conversion Newton's law of cooling condensation 汉英互译 热阻 接触热阻 流体 Al 不锈钢 润滑油 固/固界面 硅芯片 功耗 强迫对流 自然对流 牛顿冷却定律 冷凝 12

13 Questions & answers 2min
汉英互译 heat transfer coefficient phase change hydrogen silicone oil Epoxy resin brass Al foil Indium tin helium buoyancy force fluorochemical vapor transformer oil glycerine Acrylic 汉英互译 热传递系数 相变 H2 硅油 环氧树脂 黄铜 Al箔 In Sn He 浮力 含氟气体 变压器油 甘油 丙烯酸的 13

14 Questions & answers 热阻的单位 接触热阻的产生原因 接触热阻热流示意图 工程中常用的减小接触热阻的主要措施
压力与接触热阻的关系 热阻与硅脂涂覆厚度的关系 导热胶与导热脂的区别 1 mil=？mm ℃/W 1inch=1000mil=2.54cm=25.4mm 14

15 Questions & answers 导热脂、导热胶、导热垫的热导率数量级 导热垫中施加压力与热阻的关系 对流 牛顿冷却定律
对流热阻的计算？ 热传递系数表征什么能力？ 影响热传递系数的因素? 零点几至几 W/(m·K) 压力大，热阻小 从固体向流体的传热现象称为对流 15

16 示意性的，说明性的 'iləstətiv 直径，横管 甲醇 苯胺-乙醇 钠 ‘benzi:n 苯 逐滴的 “A Heat Transfer Textbook” used in MIT

17 2.2.2 对流>热传递系数 h，热传递系数 介质带走热量的能力 注意： 和热导率不同，对流热传递系数不是流体的基本性质。
热传递文献中有许多理论公式和经验关系式，可以用来确定特定流体在沟槽或各种几何形体表面的对流热传递系数。 流速、形状相关

18 2.2.2 对流>热传递系数 例 2.3 20cm×20cm的PWB耗散功率是10W，在35℃的空气环境中，两侧都进行自然对流冷却[对流系数h=5W/(m2·K)]，计算其平均温度。如果两侧是强迫对流，且流体的流速足够高（4～5m/s），通过PWB表面产生的对流热传递系数是25W/(m2·K)，试计算PWB的热量耗散。

19 2.2.2 对流>热传递系数 Ts Tf R1 Tf Ts R2 例 2.3
20cm×20cm的PWB耗散热量是10W，在35℃的空气环境中，两侧都进行自然对流冷却[对流系数h=5W/(m2·K)]，计算其平均温度。如果两侧是强迫对流，且流体的流速足够高（4～5m/s），通过PWB表面产生的对流热传递系数是25W/(m2·K)，试计算PWB的热量耗散。 热阻示意图？ 公式？ Ts Tf Ts Tf R1 R2

20 2.2.2 对流>热传递系数 例 2.3 20cm×20cm的PWB耗散热量是10W，在35℃的空气环境中，两侧都进行自然对流冷却[对流系数h=5W/(m2·K)]，计算其平均温度。如果两侧是强迫对流，且流体的流速足够高（4～5m/s），通过PWB表面产生的对流热传递系数是25W/(m2·K)，试计算PWB的热量耗散。

21 2.2.2 对流>热传递系数 例 2.3 20cm×20cm的PWB耗散热量是10W，在35℃的空气环境中，两侧都进行自然对流冷却[对流系数h=5W/(m2·K)]，计算其平均温度。如果两侧是强迫对流，且流体的流速足够高（4～5m/s），通过PWB表面产生的对流热传递系数是25W/(m2·K)，试计算PWB的热量耗散。

22 2.2.2 对流>热传递系数 例 2.3 还有比强迫对流更有效的方式么？
20cm×20cm的PWB耗散热量是10W，在35℃的空气环境中，两侧都进行自然对流冷却[对流系数h=5W/(m2·K)]，计算其平均温度。如果两侧是强迫对流，且流体的流速足够高（4～5m/s），通过PWB表面产生的对流热传递系数是25W/(m2·K)，试计算PWB的热量耗散。 还有比强迫对流更有效的方式么？

23 2.2.2 对流>热阻 热学“欧姆定律” 根据傅立叶定律中的温度差形式，可以把热传导与电流流过导体类比，即欧姆定律
热流q类比于电流I，温度降 类比于电压降 ，则热阻可以定义为 严格来讲，尽管这种类比只适用于传导导热，但也可以推广到其他形式的传热。 Rth可以通过实验的方法确定，它取决于热流量和温度差的测量值和分析，及两个量的理论表达式或实验关系式。

24 2.2.2 对流>热阻 热学“欧姆定律” 芯片封装和其他封装的配置常常用总热阻RT来表示其特性。
在一些封装技术文献中，这个总热阻一般用符号 来表示，它是由器件有源结区与环境的温度差决定的，其定义如下： 式中， Tj是结处的温度；Ta是环境温度，q是元件的功率。 作为一级近似，封装的总热阻可分为两部分 取决于内部封装结构，主要是热传导; 取决于安装和冷却技术，主要是热对流。

25 2.2.2 对流>热阻 热阻关系式 单层材料的热传导热阻 环氧树脂 硅 铜

26 2.2.2 对流>热阻 热阻关系式 对流传热的热阻为 牛顿冷却定律

27 2.2.2 对流>热阻>串联热阻 串联热阻 T1 R1 R2 R3 R4 T1 Ta
在实际元件的热封装设计中，上面讨论的热阻可以用来估算总封装热阻。 下图是热流通过热导率和厚度分别为k1、k2、k3和L1、L2、L3组成的三层复合平板及其串联热阻示意图。在平板的右侧有对流传热，h表示对流热传递系数，Ta表示环境温度 T1 R R R R4 T1 Ta L1/k1A L2/k2A L3/k3A 1/hA k1 k k3 q T1与Ta之间的等效总热阻为 h，Ta L1 L2 L3 Rt=R1+R2+R3+R4

28 2.2.2 对流>热阻>串联热阻 例 2.7 (注：原书数据有误) T1 FR4和铜的导热率分别是
用倒装技术将10个存储器固定在由一层铜片（1mm厚）和两层FR4构成的三明治结构印刷电路板的背面，如下图所示。每层的耗散功率是1W。PWB的表面积是10cm2且背面绝热，各层的厚度都是1mm。PWB置放在温度为25℃的空气中进行自然冷却，计算PWB板背面的平均温度。 T1 FR4和铜的导热率分别是 0.3、390W/(m·K)。 空气的自然对流，热传递系数 10 W/(m2·K) FR4 铜 FR4 k1 k k3 背面绝缘，一面散热 q h，Ta L1 L2 L3

29 2.2.2 对流>热阻>串联热阻 例 2.7 T1 R1 R2 R3 R4 FR4 铜 FR4 T1 Ta
用倒装技术将10个存储器固定在由一层铜片（1mm厚）和两层FR4构成的三明治结构印刷电路板的背面，如下图所示。每层的耗散功率是1W。PWB的表面积是10cm2且背面绝热，各层的厚度都是1mm。PWB置放在温度为25℃的空气中进行自然冷却，计算PWB板背面的平均温度。 T1 R R R R4 FR4 铜 FR4 T1 Ta L1/k1A L2/k2A L3/k3A /hA k1 k k3 q T1与Ta之间的等效总热阻为 h，Ta L1 L2 L3 Rt=R1+R2+R3+R4

30 2.2.2 对流>热阻>串联热阻 例 2.7 R1 R2 R3 R4 Ta L1/k1A L2/k2A L3/k3A 1/hA
用倒装技术将10个存储器固定在由一层铜片（1mm厚）和两层FR4构成的三明治结构印刷电路板的背面，如下图所示。每层的耗散功率是1W。PWB的表面积是10cm2且背面绝热，各层的厚度都是1mm。PWB置放在温度为25℃的空气中进行自然冷却，计算PWB板背面的平均温度。 R R R R4 Ta L1/k1A L2/k2A L3/k3A /hA Rt=R1+R2+R3+R4=106.66K/W

31 2.2.2 对流>热阻>串联热阻 例 2.7 用倒装技术将10个存储器固定在由一层铜片（1mm厚）和两层FR4构成的三明治结构印刷电路板的背面，如下图所示。每层的耗散功率是1W。PWB的表面积是10cm2且背面绝热，各层的厚度都是1mm。PWB置放在温度为25℃的空气中进行自然冷却，计算PWB板背面的平均温度。

32 2.2.2 对流>热阻>串联热阻 FR4 铜 FR4 自然对流 131.7℃ 例 2.7
Rt=R1+R2+R3+R4=16.66K/W T1=q×R+Ts=41.7℃ 空气的自然对流，热传递系数 10 W/(m2·K) 高流速的空气喷射冷却 其热传递系数 100 W/(m2·K) 131.7℃

33 2.2.2 对流>热阻>并联热阻 并联热阻
下图是热流通过热导率和厚度分别为k1、k2、k3和L1、L2、L3组成的三层复合平板及其并联热阻示意图，平板的长度是W，在纵向方向上具有单位宽度。三个平板左侧的温度T1，右侧的温度T2. R1 R2 R3 R1=W/k1A R2=W/k2A R3=W/k3A T1 T2 k1 k2 k3 L1 L2 L3 q T1与T2之间的等效总热阻为 1/Rt=1/R1+1/R2+1/R3 W

34 2.2.2 对流>热阻>混联热阻 串联 Series connection In series 并联
From “Fundamentals of Heat and Mass Transfer”,7th Edition 串联 Series connection In series 并联 Parallel connection In parallel FIGURE Equivalent thermal circuits for a series–parallel composite wall.

35 2.2.2 对流>热阻>柱状体热阻 FIGURE Hollow cylinder圆柱体 with convective surface conditions. 'silində From “Fundamentals of Heat and Mass Transfer”,7th Edition

36 积分？ 热阻？ q The Cylinder，柱状体的热传导 q
q From “Fundamentals of Heat and Mass Transfer”,7th Edition

37 From “Fundamentals of Heat and Mass Transfer”,7th Edition
热阻？ FIGURE Temperature distribution for a composite cylindrical wall. si'lindrikəl

38 2.2.2 对流>热阻>板、柱、球体热阻
热通量 热功耗 From “Fundamentals of Heat and Mass Transfer”,7th Edition

39 2.2.2 对流>热阻>热阻计算 LED 封装的组成 LED点亮卢浮宫

40 带有散热片的芯片封装实例 2.2.2 对流>热阻>热阻计算 图为带有散热片的芯片封装实例
芯片通过引脚与母板相连，芯片封在塑料模中。芯片封装的顶端是散热片，中间利用润滑油做冷却剂

41 （a） 芯片封装中重要的节点温度 a s 2 i 1 b 4 3 a 封装芯片的最终温度，可测量得知；在研发初级，可估算
各节点的意思 整个系统的热阻网络如何表达？并联、串联、混联？

42 （a） （b）其等效的热阻网络，并联 芯片封装中重要的节点温度 a s 2 i 1 b 4 3 以i为中心 a Rib Rb3 R34
两类参数，节点和节点间的热阻 下面的问题，就是如何来计算。逐一分析 先q1热流方向，再q2 Rib Rb3 R34 R4a q3 q T3 T4 Ti Ri1 Tb R12 R2s Rsa Ta q1 T1 T2 Ts

43 【2. 9】具有散热片的封装芯片，散热片的热阻可从产品目录查得，其值是1
【2.9】具有散热片的封装芯片，散热片的热阻可从产品目录查得，其值是1.0K/W；硅芯片的尺寸是1cm×1cm，厚度是1mm；整个封装体的尺寸是2cm×2cm，厚为5mm；注模材料的热导率是0.8W/(m·K)；封装消耗的功率是2W；界面材料厚0.2mm；热导率是1.5W/(m·K)。封装与印刷电路板之间的空气间隙是0.1mm；电路板具有与例2.7相同的结构；通过引脚的热传导忽略不计；环境空气的温度是45℃。如果假定PWB到空气的热阻是10K/W，计算硅芯片的温度。 kSi=120 W/(m·K) k气=0.026 W/(m·K)

44 R2s=L/k油A=0.2mm/(1.5*2cm*2cm)=0.33
【2.9】具有散热片的封装芯片，散热片的热阻可从产品目录查得，其值是1.0K/W；硅芯片的尺寸是1cm×1cm，厚度是1mm；整个封装体的尺寸是2cm×2cm，厚为5mm；注模材料的热导率是0.8W/(m·K)；封装消耗的功率是2W；界面材料厚0.2mm；热导率是1.5W/(m·K)。封装与印刷电路板之间的空气间隙是0.1mm；电路板具有与例2.7相同的结构；通过引脚的热传导忽略不计；环境空气的温度是45℃。如果假定PWB到空气的热阻是10K/W，计算硅芯片的温度。Si 、空气热导120/0.026 Rsa= 注：10^-3 同 10×10-3 R2s=L/k油A=0.2mm/(1.5*2cm*2cm)=0.33 R12=L/k塑A=(5-1)/2*10^-3/(0.8*A12)=10 A12=(2*2+1*1)/2*10^-4 Ri1=L/kSiA=1*10^-3/(120*1*10^-4)=0.083 Rq1=Rsa+R2s+R12+Ri1=11.4 Rib=R12=10 Rb3=L/k气A=0.1*10^-3/(0.026*2*2*10^-4)=9.62 R34=R1+R2+R3 （例2.7）=6.66 R4a=10 Rq3=Rib+Rb3+R34+R4a=36.3 1/R=1/Rq1+1/Rq3 →R=8.68 q=(Ti-Ta)/R→Ti=q*r+Ta=62.4℃ 读例子。 按照电阻网络，逐一分析每个热阻的计算，并调出origin 现场计算。字母数字顺序不可错，且已知参数先输入，未知的后输入 注意，在讲解润滑油热阻时，提示不是接触热阻，因为这层油很厚，有0.2mm 另一个注意的问题是，在计算注塑材料的热阻时，面积采用硅片面积和封装芯片面积的平均值 第三个问题，硅片和注塑模间的接触热阻不计，为什么？因为接触紧密，接触时是流体，后变成固体 第四个问题，假设芯片是从i面发热的，上下传热 第五个问题，忽略芯片中引脚的传热 当谈到电路板的结构时，转到下一页示意例2.7中电路板的结构，并做计算。

45 注 本资料仅作教学之用 部分资料来自internet 如果传播，请注明 哈尔滨工业大学（威海）王华涛