干货 - 散热基础知识分享

随着电子产品对性能、集成度、高功率以及便携性的追求不断提高，导致器件单位产生的热量迅速增加！热管理的使命在于将器件的热迅速分散并传导，保护器件免于过热损坏，进而提高产品的性能和寿命，获得最佳的用户体验。

从产品发展趋势来看，传统的散热材料已经无法满足散热需求，寻求更高效的散热、柔性、超薄和低成本的散热方案已经成为热管理的必由之路。

第一部分：散热的三种基本方式

1、热传导：能量较低的粒子和能量较高的粒子直接接触碰撞来传递能量的方式。

2、热对流：气体或液体中较热部分和较冷部分通过循环将温度均匀化，如风扇、水冷等方式。

3、热辐射：热能从热源以电磁的形式直接发散出去，辐射可以在真空中进行。

在自然环境下，三种散热方式是同时进行的，热传导占比约50%，热对流占比40%，热辐射占比约10%。

在强制对流情况下，热传导占比约20%，热对流占比约80%，热辐射占比基本为0。

在真空环境下，热辐射占比90%以上。

第二部分：散热设计常用到的专业名词很多，首先先了解一下这些专用术语。

导热系数：导热系数是指在稳定传热条件下，1M厚的材料，两侧表面的温差为1度（k， ），在一秒钟内（1S），通过一平方米面积传递的热量，单位为瓦/米·度（W/（m·k），此处k可用 代替）。

不同物质的导热系数各不相同，相同物质的导热系数与其结构、密度、湿度、温度、压力等因素有关。一般来说，固体的导热率比 液体 气体。而在所有固体中，金属是最好的导热体，纯金属的导热系数一般随温度升高而降低，且金属的纯度对导热系数影响很大，如含碳为1%的普通碳钢的导热系数为45W/m·K，不锈钢的导热系数仅为16W/m·K。

热阻：热量在传递过程中受到的阻力，也就是传热路径上的温差与热量的比值。用R或θ表示，R= T/Q。

一般器件规格体现的热阻数据有 ：θJB 芯片结到板热阻，θJC结到封装壳表面热阻，θJA结到环境热阻。下图是器件规格书常见的热阻参数例子。

注意ΘJC表示的仅仅是散热通路到封装表面的电阻，因此ΘJC总是小于ΘJA。ΘJC表示是特定的、通过传导方式进行热传递的散热通路的热阻，而ΘJA则表示的是通过传导、对流、辐射等方式进行热传递的散热通路的热阻。

热阻与导热系数关系式：热阻R，导热系数K，材料厚度d，截面面积A，则：R=d/KA，在材料厚度和横截面积不变的情况下，热阻越大，导热性能越差。

热流：又称为热通量，指单位时间通过某一面积的热能。是具有方向性的矢量。其在国际单位制中的单位为焦耳/秒（J/s，即瓦特）。

热流密度：由热流进一步的定义，即通过单位面积的热流量。其在国际单位制的单位为瓦特/平方米（W/ ）。

热耗：系统设备或器件所消耗的总功率中转化为热能的部分。

传热路径：元器件热量传递过程中经过的路径，也叫散热途径。

热平衡：设备或器件处于工作中稳定发热状态下，（一般每小时温升变化不少过1 ）即为热平衡。

壳温：元器件封装外壳平面几何中心点的温度（一般Tc表示）

结温：元器件封装内部发热结点的温度（一般Ti表示）

环境温度：环境空气温度（一般Ta表示）

由以上定义可知道传统的热电比拟原理：热流相当于电流，热阻相当于电阻，热容相当于电容，温压（温度差）相当于电压（电势差）。如下图所示，传统的电流通过电阻的能量转换过程和热流通过热阻的能量转换过程的异同。

热容：物体升高（或降低）单位温度时从外界吸收（或向外界放出）的热量。又称热容量。（物体在某一过程中，每升高（或降低）单位温度时从外界吸收（或放出）的热量。如传递的热量为 ΔQ温度改变ΔT时，物体在该过程中的热容C其单位为 J/K。）。单位质量物体的热容称为比热容。

常见物体的比热容（单位：KJ/KG/摄氏度）：银：0.24 ；铝：0.88 ；铁、钢：0.46 ；铜：0.39 ；汞：0.14 ；铅：0.13 ；锌：0.39

举例：铜 PK 铝 铝的比热容是铜的2.25倍，意味着吸收相同的热量，铝上升的温度仅为铜的一半不到。

温升：亦叫温差，即物体本身温度（T1）与环境温度（T2）的差值，常用 T表示，单位K或 ，关系式： T=T1-T2

当 T>0时，表示物体处于发热或者升温状态；

当 T<0时，表示物体处于低温或者降温状态；

当 T稳定在固定值时，表示该物体处于热平衡状态，即发热速度=散热速度。

温升是衡量物体自身温度变化的重要指标，故常被用来定义电子元件或产品的散热设计优劣的标准，比如手机外壳要求不超过温升20 ，即不超过45 ，假如超过45 ，就会有明显热感，体验感变差，等同于说这个手机的散热设计差。

常见温升的测量工具：

第三部分：常见的散热材料一般有铜、铝等传统金属材料和石墨类散热材料。石墨类一般分为天然石墨、人工石墨、石墨烯。石墨烯是由碳六元组成的两维周期蜂窝状点阵结构，与铜、铝等传统金属材料相比具有更高的面内热导率。石墨烯是最薄的也是最强韧的材料，同时也具备很好的弹性，拉伸幅度能达到自身尺寸的20%。石墨烯是作为导热材料添加成分的理想选择。

石墨烯与人工石墨、天然石墨的对比分析：

常见物体的导热系数这里也整理了一个表格，如下图：

常见的散热材料导热性能比对：

常见散热合金导热系数：

本文主要分享了散热的基础知识和常见散热材料的基本特性。