隨著現(xiàn)代印刷電路板 （PCB） 上的電子元件密度以及應(yīng)用功率的不斷增加，熱管理正變得越來越重要。這兩個因素都會導(dǎo)致單個元件和整個設(shè)備的溫度升高。然而，由于材料特性和可靠性方面的原因，設(shè)備中的每個電氣元件都必須在其規(guī)定的工作溫度范圍內(nèi)使用。在這篇文章中，提供了防止電子器件（如表面貼裝電阻器）過熱的實驗結(jié)果。

電損耗和熱傳導(dǎo)

熱量隨著電損耗散失在電阻中（焦耳效應(yīng)），導(dǎo)致溫度上升。一旦出現(xiàn)溫度梯度，熱量就開始流動。經(jīng)過一定時間（取決于設(shè)備的熱容量和熱傳導(dǎo)特性），將達到穩(wěn)態(tài)條件。恒定熱流速 PH 與耗散電功率 Pel 相對應(yīng)（圖 1）。

由于通過某個物體的熱傳導(dǎo)性質(zhì)類似于電傳導(dǎo)的歐姆定律，該方程可以被重寫（見本文的傳熱基礎(chǔ)部分）：

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是熱阻，大小為 ［K/W］，對于與電子應(yīng)用相關(guān)的大多數(shù)材料和溫度體系，它可以被視為與溫度無關(guān)。

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圖 1：PCB 上片式電阻器主要熱流路徑示意圖。（圖片來源：Vishay Beyschlag）

熱阻

熱阻的近似模型

電子設(shè)備（如 PCB 上的表面貼裝電阻）的熱傳遞可以通過熱阻的近似模型來描述。這里，忽略了通過漆膜傳導(dǎo)和自由空氣對流從電阻膜傳遞到周圍空氣（環(huán)境）的直接熱量。因此，熱量通過氧化鋁基底、金屬芯片觸點和焊點傳播，最后通過電路板（包括覆銅 FR4）。PCB 的熱量通過自然對流轉(zhuǎn)移到周圍的空氣（圖 2）。

為簡化起見，整體熱阻 RthFA 可描述為一系列熱敏電阻，界面上的相應(yīng)溫度如下：

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（3）

相應(yīng)的熱阻等效電路如圖 2 所示，其中

RthFC 是電阻元件的內(nèi)部熱阻，包括電阻層、基底和底部觸點；

RthCS 是焊點的熱阻；

RthSB 是 PCB 的熱阻，包括基準(zhǔn)焊墊、電路路徑和基材；

RthBA 是指從 PCB 表面到環(huán)境（周圍空氣）的熱傳遞熱阻；以及

RthFA 是指從電阻薄膜到環(huán)境（周圍空氣）的整體熱阻。

熱阻等效電路中給定的節(jié)點溫度對各自的界面有效：

?Film 是熱區(qū)的最高薄膜溫度；

?Contact 是底部觸點與焊點之間的界面溫度（對最小尺寸焊點有效，否則可能會產(chǎn)生某些平行熱阻）；

?Solder 是焊點與基準(zhǔn)焊墊（PCB 覆銅）之間界面的溫度；

?Board 是 PCB 表面的溫度；

?Ambient 是周圍空氣溫度。

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圖 2：PCB 上片式電阻器的近似熱阻等效電路。（圖片來源：Vishay Beyschlag）

熱傳遞基礎(chǔ)知識

熱能可以通過三種基本機制傳遞：傳導(dǎo)、對流和輻射。

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其中 α 為對流系數(shù)，A 為處于溫度 ?1 物體的表面積，?2 為周圍流體（如空氣）的溫度。系數(shù) α 包括流體的材料屬性（熱容量和粘度）和流體運動的條件（流速、強制/非強制對流和幾何形狀）。此外，它還取決于溫差 ?1-?2 本身。因此，公式（7）看起來很簡單，但對于解決傳熱問題，系數(shù) α 幾乎總是需要估計或通過實驗來確定。

輻射

熱輻射通量可由斯特凡-波爾茲曼定律描述（公式 （8）），在假設(shè)發(fā)射率和表面積相同的情況下，可得到不同溫度 ?1 和 ?2 的兩個物體之間的凈通量（公式 （9））。

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ε 為發(fā)射率，σ=5.67×10-8 Wm-2K-4 為斯特凡-玻爾茲曼常數(shù)，? 為表面 A 的溫度。然而，由于在低溫下輻射傳熱的貢獻很小，這里不按公式 （5） 考慮輻射熱傳遞。通常情況下，總熱量的 90% 以上會通過熱傳導(dǎo)散失。但是，對于紅外熱成像來說，公式 （9） 具有基本意義。

電阻和熱阻的類比

通過一個電阻 R 的電流 I 與電動勢 U1 和 U2 的差值成正比。

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圖 3a：通過一個電阻的電流與電動勢 U1 和 U2 的差值成正比。（圖片來源：Vishay Beyshclag）

通過熱敏電阻 Rth 的熱流速 P 與 ?1 和 ?2 的溫差成正比。

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圖 3b：通過熱敏電阻的熱流速與 ?1 和 ?2 的溫差成正比。（圖片來源：Vishay Beyschlag）

與電阻類似，一個裝置中多個物體的熱阻可以用串聯(lián)和并聯(lián)熱敏電阻的網(wǎng)絡(luò)來描述，如下式所示為兩個熱敏電阻：

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內(nèi)部熱阻

內(nèi)部熱阻 RthFC 是一個取決于具體元器件的值，主要由陶瓷基材（特定的導(dǎo)熱率和幾何形狀）決定。

焊點熱阻

對于傳統(tǒng)焊接，熱阻 RthCS 可以忽略不計，因為焊料的具體導(dǎo)熱率相對較高，而且橫截面積和流道長度的比率很大（約 1K/W）。這是有道理的，特別是對于小位置。較大的焊點可視為底部觸點與另一熱敏電阻之間的額外平行熱敏電阻（從側(cè)面觸點到基準(zhǔn)焊墊），稍微增強熱傳導(dǎo)。因此，我們可以大致估算出該元件的整體熱阻，包括其焊點：

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（12）

注意，在焊接不當(dāng)?shù)那闆r下，熱阻 RthCS 將導(dǎo)致更高的整體熱阻。特別是，焊料中的空隙或焊料潤濕不足可能會導(dǎo)致明顯的接觸熱阻或流動路徑的橫截面積減少，從而將導(dǎo)致熱性能惡化。

特定應(yīng)用的熱阻

整體熱阻 RthFA 包括電阻元件本身和 PCB 的熱特性，包括其對環(huán)境散熱能力。焊點到環(huán)境的熱阻 RthSA 在很大程度上取決于電路板的設(shè)計，它對總熱阻 RthFA 有巨大的影響（特別是對于極低的具體元件 RthFC 值）。板對環(huán)境的熱阻 RthBA 包括環(huán)境條件，如氣流。選擇材料和尺寸是電路設(shè)計師的責(zé)任。

熱阻的實驗測定

紅外線熱成像

紅外線熱成像被廣泛用于熱學(xué)實驗。圖 6 所示為室溫 200 mW 負載下 0603 片式電阻器的紅外熱圖像?？梢杂^察到最高溫度在漆面中心。焊點溫度比最高溫度低約 10 K。不同的環(huán)境溫度會導(dǎo)致觀察到的溫度發(fā)生變化。

整體熱阻的確定

熱阻可以通過檢測最大薄膜溫度作為穩(wěn)態(tài)條件下耗散功率的函數(shù)來確定。為確定單個元件的整體熱阻 RthFA，使用了標(biāo)準(zhǔn)的測試 PCB（1）。測量中心位置元件。由于公式 （1） 可以改寫為

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（13）

一個簡單的近似值直接導(dǎo)出 0603 片式電阻器的熱阻 RthFA = 250 K/W （圖 4）。

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圖 4：標(biāo)準(zhǔn)測試 PCB 上的 MCT 0603 片式電阻器的溫升與耗散功率的關(guān)系。（圖片來源：Vishay Beyschlag）

集成水平

安裝在 PCB 上的一個 1206 片式電阻器（圖 5A）將導(dǎo)致整體熱阻 RthFA = 157 K/W（圖 7）。PCB 上的額外電阻（每個負載相同，圖 5B 和 C）正導(dǎo)致溫升增強（5 個電阻和 10 個電阻分別為 204K/W，為 265K/W）。

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圖 5：標(biāo)準(zhǔn)測試 PCB 上的一個 （A）、五個 （B） 和十個 （C） 片式電阻器的示意圖。（圖片來源：Vishay Beyschlag）

所有數(shù)據(jù)都來自于標(biāo)準(zhǔn)測試板。然而，這些數(shù)據(jù)可用于不同元器件的比較以及對特定設(shè)計散熱能力的一般評估，盡管不同設(shè)計的絕對值會發(fā)生變化。這些數(shù)據(jù)也可以隨時用于驗證數(shù)值模擬。

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圖 6：200 mW 時 0603 片式電阻器的原理圖 （A） 和紅外熱像 （B） （環(huán)境溫度 23℃，標(biāo)準(zhǔn)測試 PCB）。（圖片來源：Vishay Beyschlag）

測定元器件的內(nèi)部熱阻

用一個具有高導(dǎo)熱率和熱容量趨于無窮大的理想體來代替 PCB（在現(xiàn)實世界中，一個大銅塊就是合適的理想體，圖 8），導(dǎo)致

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圖 7：溫升和 RthFA 熱阻（由實驗確定的最大薄膜溫度得出，與耗散功率相關(guān)）（圖片來源：Vishay Beyschlag）

同樣，內(nèi)部熱阻 RthFC 是通過實驗，由紅外熱成像檢測薄膜最大溫度，以耗散功率函數(shù)方式確定。標(biāo)準(zhǔn) PCB 用兩個電氣隔離的銅塊（60 mm x 60 mm x 10 mm）取代。圖 9 給出了一些無源元件的內(nèi)部熱阻 RthFC 值，如片式電阻器、片式電阻器陣列和 MELF 電阻器，如圖 10 所示。

因此，熱阻是隨著接觸寬度的增加而減少的（表 1）。寬終端電阻器提供了熱阻和芯片尺寸的最佳比例。0406 寬終端片式電阻器的內(nèi)部熱阻（30K/W）與 1206 片式電阻器的熱阻 （32 K/W） 幾乎相同。

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圖 8：大銅塊上片式電阻器的主要熱流路徑和相應(yīng)的近似熱阻等效電路示意圖。（圖片來源：Vishay Beyschlag）

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圖 9：由實驗確定最大薄膜溫度得出的內(nèi)部熱阻 RthFC 與耗散功率的關(guān)系。（圖片來源：Vishay Bayschlag）

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圖 10：不同類型和尺寸的表面貼裝電阻器。（圖片來源：Vishay Beyschlag）

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表 1：實驗確定的表面貼裝電阻器內(nèi)部熱阻。

結(jié)論

PCB 設(shè)計和整個裝置的環(huán)境條件主要決定了整體熱阻RthFA。正如所展示的那樣，降低散熱部件的集成度也導(dǎo)致了單個部件的溫度降低。這與目前的小型化趨勢矛盾，但在某些局部板塊領(lǐng)域可能可以考慮。除了改變 PCB 設(shè)計，通過選擇優(yōu)化的元件，如寬終端電阻器（如芯片尺寸 0406），可以在元件層面上大大增強散熱效果。

一些基本注意事項對于防止表面貼裝電阻器應(yīng)用中的過熱是很有用的。

散熱可以通過近似的熱阻模型來描述，并通過具有足夠空間和熱分辨率的紅外熱成像來分析。

具體部件的內(nèi)部熱阻 RthFC 可以通過實驗來確定。

整體熱阻 RthFA 包括電阻元件本身和 PCB 的熱特性，包括其對環(huán)境散熱能力。它一般由后者的外部影響所主導(dǎo)。熱管理，特別是涉及 PCB 設(shè)計和應(yīng)用的環(huán)境條件，是電路設(shè)計師的責(zé)任。

溫度在覆蓋電阻層的漆面中央達到最高。應(yīng)注意焊縫的連接。通常，低于最高溫度約 10K 的溫度可能與焊料熔化溫度、金屬間相的產(chǎn)生或 PCB 分層有關(guān)。特別是在環(huán)境溫度升高的情況下，必須考慮這個問題。

選擇溫度穩(wěn)定的電阻元件、焊料和 PCB 基材，是至關(guān)重要的。薄膜芯片和 MELF 電阻等汽車級產(chǎn)品（最高工作膜溫度可達 175℃）適用于許多應(yīng)用。

增強散熱的熱性能可以通過以下方式實現(xiàn)

PCB 設(shè)計（如基材、基準(zhǔn)焊墊和電路路徑）

整個裝置的環(huán)境條件（對流傳熱）

降低散熱部件的集成度

采用散熱優(yōu)化的元件（寬端電阻器）

注

根據(jù) EN140400，2.3.3： FR4 基材 100 mm x 65 mm x 1.4 mm，35 μm 銅層，焊墊/電路路徑 2.0 mm 寬度。