热量控制理论｜关于热设计的热传导理论和具体的热量控制方法
随着半导体等各类部件的细微化发展，电路的集成化水平不断提高，智能手机之类的高性能电子设备越来越轻薄，结构也日趋复杂。在这样的大背景下，各类部件产生的热量不仅会影响产品本身的可靠性，可能还会降低安全性，必须妥善实施热量控制。
为了提高电子设备的安全性和可靠性，必须开展“热设计”，自开发阶段估算部件及产品本身的发热量，提前采取热量控制措施。下面介绍热设计所需的热学基本理论和具体的热量控制方法。
热学基本理论
以电脑、智能手机为代表的电气产品在未接通电源时，温度与周围环境一致。可一旦接通电源开始驱动，电能就会转化成热能，导致发热。
在了解热的传导方式时，我们必须先理解热传导率、热阻抗等基本理论。
热传导率
热的传导方式可分为3种，即“传导”、“对流”、“辐射”，根据热力学第二定律，热只会从高温处传向低温处。
- 传导：在树脂、金属等固体物质内部传热
- 对流：先将热传导至气体、液体等介质，再借由介质移动进行传热
- 辐射：通过热源发出的红外线等电磁波进行传热
在设计制造电子设备类产品时，必须掌握传导产生的热量和热传导的具体过程。各类产品使用的材料具有不同的“热传导率”（物质的固有参数值） ，代表其直接传导热量的能力。代表性材料的热传导率如下表所示。
根据材料的热传导传热量公式，我们可以发现，材料的热传导率越高，传热速度越快，也就越容易进入恒定状态。
热阻抗（Thermal Impedance）
在研究使用产品时的热量控制时，还必须注意材料的“热阻抗”。热阻抗代表“热量在热流路径上遇到的阻力”，是权衡各类条件后的综合特性值。 可利用“热欧姆定律”公式进行计算。
热阻抗值越高，越容易蓄热，相应位置发热后的冷却难度也更高。
热阻抗值的求法与欧姆定律相同，可根据材料配置进行如下计算。
＜串联时＞
Rtotal＝R1＋R2＋R3＋R4＋R5＋・・・・＋Rn
＜并联时＞
1/Rtotal＝1/R1＋1/R2＋1/R3＋1/R4＋1/R5＋・・・・＋1/Rn
串联构件的温度试算
下面让我们计算出各构件的热阻抗，再据此试算一下具体热源的温度吧。
如下图所示，假设热源和冷却器之间设有铝层、树脂层和铜层构件，截面积均为100mm2。
构件为串联，因此各层热阻抗之和就是总热阻抗。
铝层的热阻抗＝0.0048/（0.0004×240）＝0.050
树脂层的热阻抗＝0.0006/（0.0004×0.3）＝5.000
铜层的热阻抗＝0.0038/（0.0004×380）＝0.025
总热阻抗＝0.050＋5.000＋0.025＝5.075
热源和冷却器之间的温度差ΔT如下所示。
ΔT＝5.075×10＝50.75℃
热源的温度为50.75＋15＝65.75℃。
由此可见，热传导率最低的树脂层是散热的障碍。因此，采用下列热量控制方法，能够降低树脂层的热阻抗。
- 减薄（或去除）树脂层
- 换用热传导率更高的树脂材料
- 用热传导率较高的材料帮助树脂层散热
此外，在实际使用中，物体间物理接触时产生的间隙也会造成热阻抗（接触热阻抗）。重叠配置多层金属时，各金属层看似紧密相贴，但从微观上看，其间是凹凸不平的。利用TIM材料，能够帮助我们消除这些凹凸导致的间隙。
关于具体的热量控制类型，我们将在热量控制单元进行解说。
过热引发的问题
对于使用CPU、功率元器件等电子部件的产品而言，供电启动后承受的热量如果达到一定程度，可能就会引发各类问题。
安全性相关问题
随着半导体的细微化发展，智能手机、笔记本电脑变得越来越轻薄，部分产品还会采用密封结构。密封的产品无法装设散热风扇等配件，只能经由产品框体等表面进行散热。
连续使用时，产品表面可能会发烫到无法持握的程度，内置电池也有可能起火，引发各类问题。即使温度不高，长时间接触也有可能造成低温烫伤。
以智能手机等移动设备为例，它们都配备了安全设计指南，为避免低温烫伤，对构件与人体的接触时间做出了如下的硬性规定。
＜金属＞
51℃：1分钟
48℃：10分钟
43℃：8小时
＜玻璃、陶瓷＞
56℃：1分钟
48℃：10分钟
43℃：8小时
＜其他（树脂等）＞
60℃：1分钟
48℃：10分钟
43℃：8小时
参考）移动设备安全设计指南（英文）：P.4
可靠性相关问题
以电容器为例，加热后用于封装的树脂会在高温下出现化学变化，发生热分解。这会导致内部电解液外泄，缩短产品的使用寿命。
此外，对于功率模块这种由多种热膨胀系数不同的材料构成的部件而言，连续使用产生的热量会改变应力，导致导线、焊接部等疲劳破坏。
品质相关问题
部件产生的热量，可能会使产品无法充分发挥设计规格所对应的功能。
对智能手机、数码相机等使用大量半导体元件的产品而言，连续运行导致的泄漏电流一旦引发热失控，就会减慢处理速度，必须停用一定时间，等待冷却后才能继续使用。
电池也很容易受到温度的影响，如果在高温下持续使用，启动时间可能无法达到规格参数的要求。
热量控制类型
为了避免因产品内部发热引发各类问题，必须进行热量控制，降低内部产热造成的影响。根据热力学第一定律，已产生的热量不会消失，因此我们只能对其进行转移。所以，我们可以通过下列方法，进行散热等热量控制。
| 热量控制 | 散热方法 | 具体的散热案例 |
|---|---|---|
| 增大传热面积 | 使用散热部件 | 散热片 |
| 将热量扩散到框体等构件上 | TIM（界面材料） 热扩散器 |
|
| 提高热传导率 | 对流散热 | 局部冷却风扇 热管 热导板 |
| 辐射散热 | 使用高辐射材料 | |
| 降低设备的内部温度 | 换气 | 换气风扇 设置通风口 |
| 隔绝热源 | 用隔热材料阻断传热 变更部件配置 |
增大传热面积
散热片
散热片是一种非常传统的热量控制方法，属于传热面积增大设备。散热片设有多枚鳍片，以物理方式扩大用于散热的面积，释放产生的热量。
使用散热片，可提高固体间、固体与空气间的热传导效率。
TIM（界面材料）
电子部件产生的热量会扩散到基板，实现降温，如果降温效果不足，可以利用框体、散热片 进行散热。
通常会将部件直接连接至框体，或经由基板将热量扩散到框体，但是，如果不降低构件接触面的接触热阻抗，同样无法有效散热。
TIM（界面材料）是一种填充构件与框体接触面间细微间隙，排除空气，降低接触热阻抗，使热量更易均匀传导的材料。
TIM可分为导热硅脂、散热片材等各种类型，关于具体的材料及相应特点，将在后文中进行说明。
热扩散器
TIM可用于降低构件间接触面的热阻抗，热扩散器则通过增大传热面积，使热量更高效地向框体面方向扩散，协助散热。
根据用途和发热量，热解石墨片、金属箔等各类配件均可被用作热扩散器。
提高热传导率
局部冷却风扇
利用风扇产生对流，经由产品内部的温热空气传导出热量，实现散热降温。
用作换气扇 ：交换温度较高的内部空气和外部空气，实现降温
用作风扇 ：将发热部周边的温热空气吹散，降低热量
发热体密集时，如果单纯依靠通风口等进行自然换气，风量不足，无法让温度均一化。因此，必须利用局部冷却风扇确保冷却所需的风量，采取高效的降温措施
热管
热管是一种利用温度差产生的对流，推动冷媒液循环，借此传导热量的冷却设备。
在热传导率较高的真空铜管中注入水等冷媒液，发热源的热量加热管内水至沸腾后，以气化热的形式释放出来。蒸汽将在远处的散热位置得到冷却，返回液体，移动至发热源后再次被加热。重复上述热对流循环过程，就能快速地使整体温度分布实现均一化。
降低设备的内部温度
换气风扇
在框体等处设置换气风扇，将内部的温热空气排出到外部，借此实现温度的均一化。
变更部件配置
必须管理好部件之间的位置关系，例如不在高温部件附近设置耐热性较差的部件等。此外，如果将发热部件设置在上风处，向下风处形成的热对流可能会升高其他部件的温度，因此要尽可能地将发热部件装设在下风处。
用隔热材料阻断传热
对于难以变更部件配置的产品，还可以在发热部件与其他部件间设置真空隔热材料、二氧化硅气凝胶等隔热材料，隔绝热量。
太阳金网株式会社提供热量控制方面的咨询服务
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TIM的类型和特点
对于CPU等发热影响较大的设备，为了使其能通过基板、框体高效散热，必须填充接触面的细微间隙，降低热阻抗。为此使用的“TIM（Thermal Interface Material）”，可分为多个类型。
| TIM的类型 | 特点 |
|---|---|
| 导热硅脂 |
|
| 热传导片材（填隙料） |
|
| 导热凝胶 |
|
| PCM（Phase-change materials） |
|
| 导热胶带 |
|
| 高导热胶水 |
|
| 焊锡 |
|
各类TIM不仅在接触热阻抗值上存在差异，可使用的位置、重复使用性等也各有不同，必须根据实际用途进行选择。
使用TIM的目的，是填充接触面的间隙，降低接触热阻抗。即使TIM的热传导率较高，如果在实际使用时发生TIM漏出，或在填充时残留空气层，同样无法获得预期的效果。
以导热凝胶为例，可能因热循环导致材料反复膨胀、收缩引发泵出，使材料遭到破坏，还有可能因材料中所含油分渗出（渗油）导致材料干燥，进而遭到破坏（干涸），因此，在使用前必须进行评估/研究。
此外，虽然热传导片材的贴附等操作相对简单，但如果施加的压着力不合适，同样无法实现预期的热量控制效果，这些因素也要在设计阶段仔细考量。
