关键要点
- 当单片机的内部温度（结温）达到约85°C至90°C时，建议使用散热片以确保长期可靠性
- 工业级器件通常在-40°C至85°C的环境温度下工作，但结温可高达125°C至150°C
- 散热片的需要取决于功率耗散和环境温度，建议在接近最大结温时使用以保持安全余量
详细分析
内部温度与散热片的关系
内部温度通常指单片机的结温，即半导体结点的温度。工业级单片机设计用于在较高环境温度下工作，但为了长期可靠性，建议将结温保持在较低水平。当结温预计超过80°C至90°C时，散热片可以帮助降低温度，防止性能下降或损坏。
工业级器件的特点
工业级单片机的操作温度范围通常为-40°C至85°C（环境温度），但其最大结温可能达到125°C至150°C，具体取决于型号。例如，ATmega328P的工业级版本最大结温为150°C。
何时需要散热片
散热片通常在功率耗散较高或环境温度较高时需要使用。如果不使用散热片，结温可能会接近或超过最大值，从而影响可靠性。研究表明，当结温超过80°C至100°C时，建议使用散热片以保持安全余量，尤其是在长期运行的工业应用中。
温度定义与测量
单片机的”内部温度”通常指结温（junction temperature），即半导体结点的温度，这是决定器件可靠性的关键参数。结温高于外壳温度（case temperature）和环境温度（ambient temperature），其计算公式为：
[ T_j = T_{amb} + (P \times R_{th}) ]
其中：
- ( T_j )：结温（°C）
- ( T_{amb} )：环境温度（°C）
- ( P )：功率耗散（W）
- ( R_{th} )：热阻（从结到环境，°C/W）
工业级器件的温度范围
工业级单片机的设计旨在应对更苛刻的环境条件，其操作温度范围通常为-40°C至85°C（环境温度）。以下是常见温度等级的对比：
| 等级 | 环境温度范围 | 最大结温 |
|---|---|---|
| 商用级 | 0°C至70°C | 约100°C至125°C |
| 工业级 | -40°C至85°C | 125°C至150°C |
| 军用级 | -55°C至125°C | 150°C以上 |
散热片使用的时机
散热片的作用是通过增加散热面积和改善热传导，将热量从单片机传递到环境中，从而降低结温。是否需要散热片取决于以下因素：
- 功率耗散：如果单片机的功率耗散较高（例如超过0.5W至1W，具体取决于封装），结温可能迅速上升。
- 环境温度：在高温环境中（如85°C），即使功率耗散较低，结温也可能接近最大值。
- 热阻：封装的热阻（从结到环境）越高，散热需求越大。
长期可靠性的考虑
结温对单片机的寿命有显著影响，研究显示，每升高10°C，电子元件的故障率可能加倍。因此，即使工业级单片机的最大结温为125°C至150°C，许多应用建议将操作结温保持在85°C以下以延长寿命。
实际应用建议
- 硬件设计：在PCB设计中，确保散热路径短而直接，散热片与芯片接触良好。
- 温度监控：建议在关键应用中实现温度监控机制。
- 环境考虑：考虑设备工作环境的温度变化和通风条件。
结论
综合以上分析，建议在单片机的内部温度（结温）预计超过80°C至90°C时，使用散热片以确保长期可靠性。对于工业级器件，具体阈值可能在85°C左右，但应参考设备数据手册中的最大结温（通常125°C至150°C）和热阻值进行计算。
关键引文
- Junction Temperature Calculation for Analog Devices RS-485/RS-422, CAN, and LVDS/M-LVDS Transceivers
- Thermal Management Guidelines for STM32 Applications
- How Temperature Kills Long Term Reliability
