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导热介面材料厂解释热设计中的常用词汇:电子产品中经常会用到“热阻”(K/W)这个词。在图1的示例中,连接A和B的管道越细,水就越难流出,A和B之间的水位差也就越大。相反,加粗管道后,AB之间的水位差将会消失。这种阻碍水流动的作用就相当于热阻。举例来说,当热流量为1W、温度上升1K时,热阻就是1K/W。在热设计中,热阻扮演着非常重要的角色。因为只要知道热阻,就能构思出散热措施,例如“如果要制造热阻为5K/W的散热片,尺寸大约会达到50mm×50mm×30mm”、“热阻为0.1K/W、因此必须要有风扇”等等。
发热量和散热量也是热设计的常用词汇,但二者都属于“热流量”(W),表示1秒的时间中产生或转移的热量。“热容量”(J/K)也是一个重要参数。热容量相当于图1中水箱A的底面积。如果底面积大,即使加入大量的水,水位也不容易上升。相反,如果底面积小,即使只加入少量的水,水位也会猛涨。热也是如此,如果是热容量大的大铁块,就算发热量大,温度也很难升高。相反,如果是热容量小的小塑料容器,哪怕发热量不大,温度也会迅速升高。
也就是说,热容量代表的是水位上涨1m需要注入多少L水,即使温度升高1K需要多少J热量。假设热容量为1J/K,热流量为1W。此时,1秒钟将有1J的热能流入;而每吸收1J的热量,温度会升高1K。因此,如果忽略热量的流失,1秒的时间中温度会升高1K。由此可知,只要知道了热容量,就能推算出温度的升降。
热容量等于“比热×重量”,计算非常简单(注1)。比热是单位质量物质的热容量,单位为J/kg•K(或J/kg•℃)。质量则是体积×密度。比热和密度都是物理性质,可以在手册中查到,而且,体积是由尺寸决定的,因此,只要知道材料和尺寸,就能计算出热容量。至于印刷电路板等复合材料,在计算出各种材料的热容量之后,相加即为总的热容量。
(注1)热阻的计算方式因热传导、热对流、热辐射等热移动的方式而异,非常复杂。“热流密度”(W/m2)在图1中指的通过管道时热流量的密度,也叫热通量。通常来说,通过的热量是发热量,发热量除以表面积即为热流密度。因为发热量代表发热能力,表面积代表散热能力,所以,热流密度就相当于发热能力与散热能力之比。因为物体内的热量只能通过该物体与空气接触的面、也就是表面释放,所以,在热量通过的部分中,表面积是最重要的条件。
热流密度与温度的上升量成正比,热流密度越大,温度上升越多。反言之,通过管理热流密度,可以使温度控制在一定水平以下。例如,在印刷电路板上安装部件时,热流密度等于部件的总发热量除以印刷电路板的总表面积。如果采用自然空冷,一般来说,热流密度达到400W/m2以上就容易发生故障,因此要控制在300W/m2左右。如上所述,通过计算热流密度,可以实现安全的设计。因此,在分割电路板时,要尽量考虑到热流密度,做到均匀分割。而且,不只是整块电路板,对于每一个部分也要遵循这样的思路。假设整块电路板的热流量为5W,如果把2W和1W的部件集中在一起,这一部分的热流密度就会增加,导致散热效率降低。通过像这样综合管理整体和单独的热流密度,散热措施的设计会变得轻松许多。
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