隨著電子機器的小型化、薄型化以及電子零件的高度集成,發熱密度有增加的趨勢,因此熱對策變得非常重要。
什麼是熱設計
指的是利用散熱材料將電子機器內部產生的熱排出,或是將發熱元件的熱傳導至機殼等冷卻表面,以降低元件溫度的作法。
為什麼需要熱設計?
許多安裝於電子機器PCB上的各類電子元件在通電時會產生熱能,並引發以下問題。
為了解決這些問題,必須進行熱設計。
1. 功能性問題:當電子元件溫度過高時,會導致元件壽命縮短等情況。
2. 機械性問題:由於熱膨脹或化學變化,可能導致元件損壞等情況。
3. 對人安全問題:接觸高溫部位可能導致燙傷等情況。
傳熱基礎
熱的傳遞有三種形式。
1.
熱傳導:熱量在固體內部移動的現象
例如:當湯匙的尖端被火加熱時,手握的部分也會變熱。
2.
對流熱傳遞:熱量傳遞到與物體接觸的流體中的現象
例如:用瓦斯爐加熱平底鍋時,平底鍋上方的空氣會變熱。
3.
熱輻射:熱能以電磁波形式在空間中傳播的現象
例如:陽光。太陽的熱量不是透過空氣傳導,而是以熱能的電磁波形式穿越空間傳來。
以上述熱流動的型態來考量,進行熱設計。
熱傳導率與熱阻抗
傅立葉方程式:Q = λ × ((ΔT × S) / d)
Q:熱量(W)、λ:熱傳導率(W/m·K)、ΔT:溫度差、S:截面積、
d:距離
1.
熱傳導率是指
<<材料本身具備的熱傳導能力>>
* 即使實際裝置環境改變,此數值仍不變
λ(熱傳導率)= (Q × d) / (ΔT × S) ※ d/ΔT =常數
2.
熱阻抗是指
<<實際熱量傳遞的困難程度>>
* 受熱源距離、接觸密合度、面積影響,即使是相同的導熱材,數值也會不同
* 增加面積、使用高熱導材料、縮短距離(厚度)會降低熱阻抗
R₁(熱阻抗):℃/W = d / (λ × S)
以熱傳導率及熱阻抗為考量,進行熱設計。
本公司的熱特性評估方法
【熱傳導率】1. 熱線法(JIS R 2616)
在樣品內設置細長的加熱線(熱線),通以一定電流使熱線加熱。
此時,熱線周圍的溫度上升取決於樣品的熱傳導率,若將時間軸改為對數刻度,溫度上升會呈現如下圖所示的直線。
該直線的斜率與樣品的熱傳導率成反比,熱傳導率低的樣品斜率較大,熱傳導率高的樣品斜率較小。
換言之,樣品的熱傳導率可由時間軸為對數刻度時溫度上升斜率求得。
【熱傳導率】2. Hot Disk 法(ISO 22007-2)
透過對Hot Disk感測器通以一定電流,使其發熱,並測量感測器的電壓變化。
根據電流與電壓變化,可計算出熱盤感測器的電阻值,進而了解溫度的變化情況。
熱阻抗(依據 ASTM D5470 標準)
施加一定熱量,測量樣品上方(TA)與下方(TB)的溫度差。
根據此溫度差與熱流量計算熱阻抗。
熱阻抗 = (TA − TB) / Q
TA:上銅塊與樣品接觸面的溫度(根據上銅塊兩處 T1、T2 的溫度與距離計算得出)
TB:下銅塊與樣品接觸面的溫度(根據下銅塊兩處 T3、T4 的溫度與距離計算得出)
使用熱傳導片的優點(與導熱膏的比較)
1.
提升組裝性
・不需要塗佈導熱膏的治具或塗佈機
2.
提升維護(重工)性
・維護時無需清洗或重新塗佈
3.
可實現作業的均一化(標準化)
・由於為片狀,無塗佈量/面積的差異
・庫存管理簡便
4.
長期使用時持續特性保持
・無需擔心因基油(基礎油)流失而產生裂紋