熱傳導專區

作者:江志宏

熱導率(heat conductivity、thermal conductivity)

是一個物質的導熱性能，在同一物質內從高溫處傳到低溫處。 也稱做：導熱性、導熱度、熱導率、熱傳係數、傳熱性、傳熱度、導熱係數、熱傳導係數、熱傳導度。

熱導率公式(thermal conductivity)

k = (Q/t) *L/(A*T) k：熱導率、Q：熱量、 t：時間、L：長度、A：面積、T：溫度差 在SI單位，熱導率的單位是 W/(m*K)，在英制單位，是Btu‧ft/(h‧ft2‧°F)

熱傳導係數(heat transfer coefficient)

在熱力學、機械工程與化學工程中，熱傳導係數是用來計算熱傳導的，主要是對流的熱傳導或流體與固體之間相態變換的熱傳導，其定義為在單位溫差下﹐單位時間通過單位面積單位距離的熱量﹐稱為該物質之熱傳導係數﹐若以厚度L之物質量測﹐則量測值要乘以L﹐所得之值是為熱傳導係數﹐通常記成k。

熱傳導係數的單位換算

1 (cal) = 4.186(j)， 1 (cal/s) = 4.186( j / s) = 4.186 (W)。

下方左圖:在溫度27℃(300'K)的熱傳導係數k值/
下方右圖:在溫度20℃的熱傳導係數k值

金屬特性比較表：

高溫對電子產品的影響：

溫度升高會造成電阻的阻值降低，也會縮短電容的使用壽命，另外高溫會造成變壓器、相關絕緣材料的性能下降，溫度過高還會造成PCB板上的焊點合金結構的變化：IMC增厚、焊點變脆、錫鬚增長、機械強度降低，結溫的升高會使電晶體的電流放大倍數迅速增加，導致集電極電流增加，又使結溫進一步升高，最終導致元件失效。

專有名詞解釋：

Junction Temperature (結溫)：電子設備中半導體的實際溫度。在操作中，它通常較封裝外殼溫度(Case Temperature)高，溫度差等於其間的熱流乘以熱阻。 Free convection (自然對流) ： Radiation (輻熱)： Forced Air(氣冷)： Forced Liquid (氣冷)： Liquid Evaporation(氣化) ： Surface(表面) Surroundings(週溫、環境溫度)

熱傳導公式：

熱設計常用的簡單注意事項：

1 應善用熱傳導、自然對流和輻射等簡單、可靠的冷卻方式，除了降低成本也減少故障。
2 盡可能縮短傳熱路徑，並且增大熱交換面積。
3 元器件安裝時，要充分考慮周邊元器件輻射熱交換的影響，熱敏器件應遠離熱源或想辦法採用熱遮罩的保護措施，將元器件與熱源進行隔離。
4 進氣口和排氣口之間應有足夠距離，要避免熱風回流。
5 進入的空氣與排出的空氣之間的溫差應小於14℃。
6 應注意強迫通風與自然通風的方向儘量一致。
7 發熱量大的器件應盡可能靠近容易散熱的表面(如金屬機殼的內表面，金屬底座及金屬支架等)安裝，並與表面之間有良好的接觸熱傳導。
8 電源部分的大功率管和整流橋堆屬於發熱大的器件，最好直接安裝在機殼上，以加大散熱面積。在印製板的佈局中，功率較大的電晶體周圍的板面上應留有更多的敷銅層，以提高底板的散熱能力。
9 使用自由對流時，避免使用太密的散熱片。
10 進行熱設計時應該考慮確保導線的載流容量，所選用電線的直徑必須適合電流的傳導，而不致引起超過允許的溫升與壓降。
11 如果發熱分佈均勻，元器件的間距應均勻，以使風均勻流過每一個發熱源。
12 使用強迫對流冷卻時(風扇)，將對溫度敏感的原件放在最接近進風口的位置。
13 利用自由對流冷卻的裝備，避免將其他零件安排在高功率消耗件的上方，正確的作法應該是參差水平排列。
14 如果發熱分佈不均勻，在發熱量大的區域元器件應稀疏排列，而發熱量小的區域元器件佈局應稍密些，或加導流條，以使風能有效的流到關鍵發熱器件。
15 進風口的結構設計原則：一方面儘量使其對氣流的阻力最小，另一方面要考慮防塵，需綜合考慮二者的影響。
16 功率消耗件間儘可能有最大的間隔。
17 避免將溫度敏感件彼此擠在一起，或安排在高功率消耗件或熱點旁邊。
18 利用自由對流冷卻的裝備，避免將其他零件安排在高功率消耗件的上方，正確的作法應該是參差水平排列。

IC(積體電路)在PCB(印刷電路板)上的排列方式對其溫升的影響：

當討論産品使用壽命時，一般都會採用"θ10℃法則"的表達方式。簡單的說可稱爲"10℃法則"等，當環境周圍溫度上升10℃時，産品壽命就會相對的減少一半，當環境周圍溫度上升20℃時，産品壽命就會減少到四分之一。這種規則可以說明溫度是如何影響産品壽命(失效)的。 相對的也可以利用提高試驗溫度，來加速失效現象發生，進行各種加速壽命的老化試驗。 Arrhenius模型被廣泛地應用於與溫度應力有關的應力加速壽命老化試驗中。 以下為Arrhenius加速壽命模型：

A ：常數 Ea：活化能(ev) R ：Boltzmann常數8.6159×10-5(ev/°K) T ：絕對溫度(°K) = 273.15 + 攝氏溫度t℃ t ：攝氏溫度(℃) T0：臨界溫度(°K) Ta：試驗溫度(°K) L1：在Ta(°K)試驗溫度下的壽命（小時） L2：在T0(°K)臨界溫度下的壽命（小時）

空氣冷卻風速與溫度關係：

通電及冷卻的溫度變化示意圖：

各種冷卻技術之溫度控制範圍：

其他相關試驗文章：

熱導管測試、LED路燈試驗規範簡稱整理

相關試驗設備