2.2　传热学基本原理

只要有温差就会有传热现象。热量在温差的作用下从一个物体传到另一个物体，或同一物体由于各部分温度不同而产生的热量传递过程称为传热。热量传递有三种基本方式:热传导、热对流和热辐射。

1.热传导

物体各部分之间不发生相对位移，依靠分子、原子及自由电子等微观粒子的热运动而产生的热能传递称为热传导，简称导热［19］。导热传导现象由Fourier定律表述。

热传导示意图见图2-3，设有一块大平壁，厚度为δ，两侧表面积均为A，两侧表面拥有恒定温度分别为t1和t2，且t1＞t2。

根据Fourier定律有

式中:Φ为热流量，表示单位时间传递的热量；q为热流密度，表示单位时间通过单位面积传递的热量；λ为热导率或导热系数，表征材料的导热能力。

在电力电子封装过程中，芯片周围的焊料、DCB衬板、底铜板所用材质热导率越大，越有利于芯片的散热。但价格往往会比较昂贵，并且热膨胀系数不一定会与芯片匹配。因此在选择材质时需要综合考虑模块的成本和匹配度。

2.热对流

热对流是指由于流体的宏观运动而引起流体各部分之间发生相对位移，冷、热流体相互掺混所导致的热量传递过程。热对流仅能发生在流体中，但是由于流体中的粒子同时在不规则运动，因此热对流必然伴随着热传导现象。

然而，现实生活经常遇到的是运动流体和温度不同的固体表面之间的热传递过程，很多文献误将此现象认定为热对流，事实上，这种热量传递过程称为表面对流换热，简称对流换热。图2-4为对流换热示意图。

对流换热的基本计算公式是牛顿冷却公式［20］

式中:tw和tf分别为壁面温度和流体温度；h为对流换热系数，表示流体与固体表面间对流换热的强烈程度。

针对流体间不同的对流换热情况，对流换热系数差别很大。表2-1所示为常见的对流换热系数的大致范围［21］。

3.热辐射

温度高于绝对零度的物体都会向外界以电磁波的形式发射能量，这种过程称为辐射。其中，因热的原因发出辐射电磁波的现象称为热辐射。在电力电子器件工作时，由于模块体积较小，相对于因热传导方式传递的热量，热辐射量可忽略不计。