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介绍传热学基本理论简介及问题讨论 并通过模拟来验证所讨论的问题

2019年11月04日 文章来源:网络整理 热度:114℃ 作者:刘英

半导体器件的使用中,往往需要了解和控制结温。一直以来,器件的使用者要得知结温,都是采用器件生产商提供的热阻值,通过测试相关点的温度,再根据热阻值来计算出结温。几十年来大家都沿袭这一做法。LED 行业也沿用了这一做法。但是这一做法存在的问题却鲜有人注意到。

本文通过模拟软件来考察热阻在测算半导体器件结温方面的问题。这些问题如果不是借助模拟软件计算的结果生成直观的图像来考察,是无法察觉到的。当然,如果你的数学能力很强,自己手工求解微粉方程来绘制等温面等图像,不是不可,但工作量是巨大的,还要耗费很长的时间。借助模拟软件,也许半个小时就可以得到结果了。这些问题如果通过实验来测试,比如得到各处的等温面情况,可能是非常困难的。正因如此,不恰当地使用热阻法测算结温出现的错误一直以来也不为人知。

本文首先介绍了传热学的基本理论,并做了相关讨论。然后通过模拟来验证所讨论的问题。

本文提出了“本征等效热阻”的概念。并阐述了只有本征等效热阻值才能做为半导体器件的特征参数提供给客户使用。并且提醒各位,并不是所有器件的本征等效热阻测试点都可以成为实用的测试点。

由此可知,热阻法测算结温并不是很实用的方法。并且器件上非本征热阻测温点的一般等效热阻值用于计算结温的方法是错误的。其错误不仅仅是数值的差异,而是在应用理论上的错误。

本文所讨论的内容,主要是针对半导体器件的结温测量方面。

一?

传热学基本理论简介及问题讨论

1?基本理论简介

当单独考察热传导、热对流、热辐射传热时,有如下的基本定律的数学表达式:

介绍传热学基本理论简介及问题讨论 并通过模拟来验证所讨论的问题

提醒:请读者上述公式的来龙去脉要很好地思考和理解。

通常在不至于混淆和特别强调的情况下,参数Φ和R表示传导、对流和辐射的下角标(λ、 h、 r)可以不要。

根据各种转移过程的共同规律:过程中的转移量 = 过程中的动力 / 过程中的阻力将参数 R 命名为热阻。

对于热辐射,这里没有考虑物体间的形态因素,考虑物体形态因素后,还需对公式(1-3)添加角系数参数。这里就不多讲了。

上面介绍的基本理论,在实际应用中,往往不是能够简单运用上述公式的。理论往往是对实际情况进行抽丝剥茧,找出其中最基本的规律。实际情况往往是很多不同的规律共同作用的结果。因此,往往在宏观尺度上,上述公式往往只能应用于一些特殊的场合。实际的传热过程往往是三维的,很多的情况下,要计算传热状况,需要求解传热微分方程。在微分方程的公式即求解过程中,并没有用到热阻这个参数。既然它们与热阻参数无关,就不是本文讨论的内容了。

2??对基本理论应用的讨论

在一些标准资料【1】【2】中给出热阻的公式是:

R=ΔT/ Φ ——(1-13)

其中Φ通常是指器件的消耗功率。(对于LED,Φ应该是电功率减去光功率。)

当然,在资料【1】中,他的指导思想是认为芯片的热量只是在封装体内传导。如果是纯粹的物体内的热传导,或者是完全处于流体中的两个等温面之间的热传递,运用下节介绍的等效热阻的概念,运用公式(1-13)是没有问题的。而事实上,在封装体的表上的点,其所处的等温面可能并不完全在封装体表面以内,而是超出了封装体表面。这个等温面的形成会受到外界结构及有关表面的对流和辐射的影响。尤其是有了辐射的影响后,公式(1-13)不再成立。再用公式(1-13),在理论上就是错误的。

通常人们会将公式(1-13)应用到各种传热场合的计算。 举例来做个分析看看这种做法的问题。

假设物体仅上表面露于空气,其它表面均处于绝热保护。并假设上表面温度是均匀的。从物体下表面产生的热流量Φ,稳态时通过上表面以对流和辐射的方式传播,传递到空气中的总热流量为:

介绍传热学基本理论简介及问题讨论 并通过模拟来验证所讨论的问题

从公式(1-14)看,无法导出类似公式(1-13)的简单形式。也就是说, 辐射能量不能忽略的情况下,公式(1-13)是不成立的。

3??本征等效热阻

这里引入本征等效热阻的概念。

要讲本征等效热阻,首先介绍等效热阻的概念。

等效热阻:在两个等温面之间,有很多的热阻串并联,其总的结果,用一个热阻来代替,这个热阻就称作等效热阻。

一般不至于混淆的情况下,等效热阻可以简称为热阻。

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