熱阻
關(guān)注創(chuàng)建者：南京青松熱設(shè)計(jì)工作室 創(chuàng)建時(shí)間：2020-06-06
熱阻的視頻教程
工程應(yīng)用中的流體散熱一堂課
三、界面熱阻設(shè)定與導(dǎo)熱界面材料設(shè)定對比 四、穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo) 1、我們應(yīng)該如何搬運(yùn)熱量（2）散熱的方式（3）增強(qiáng)散熱的幾種方式 2、導(dǎo)熱界面材料可靠性（1）市面上可選的界面材料（2）究竟如何使用 五、瞬態(tài)熱傳導(dǎo) 1、變功耗熱源設(shè)定 2、瞬態(tài)分析求解設(shè)定 3、焦耳熱計(jì)算分析
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* starccm+制動(dòng)盤旋轉(zhuǎn)-冷卻仿真（主體更新完成）
培訓(xùn)內(nèi)容會(huì)根據(jù)需求反饋進(jìn)行組合，培訓(xùn)大綱計(jì)劃包括： （1）電池發(fā)熱功率的五種方法及比較（約2.5小時(shí)） （2）接觸熱阻理論及計(jì)算方法（約1.5小時(shí)） （3）電芯熱模型的校核（約1.5小時(shí)） （4）電池包熱阻模型（約2小時(shí)） （5）電池溫差介紹及溫差預(yù)測方法（約3小時(shí)） （6）電池包1D熱仿真模型（約1小時(shí)） （7）電池包熱管理控制策略（約1小時(shí)） （8）電池包RCT模型（約1.5小時(shí)
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ansys fluent電路板強(qiáng)制對流換熱、熱應(yīng)力、模態(tài)、ncode隨機(jī)振動(dòng)及正弦振動(dòng)疲勞-多場耦合
具體知識(shí)點(diǎn)參考如下： 前處理采用SCDM，包含內(nèi)外流場創(chuàng)建，模型簡化,模型檢查等； fluent meshing進(jìn)行多面體網(wǎng)格劃分，模型導(dǎo)入，尺寸函數(shù)設(shè)置技巧，邊界層設(shè)置技巧，面網(wǎng)格及體網(wǎng)格優(yōu)化等； fluent進(jìn)行計(jì)算，包含接觸熱阻講解，自然對流注意事項(xiàng)（附加講解），在單監(jiān)視窗口內(nèi)如何創(chuàng)建多個(gè)監(jiān)控值、過程動(dòng)畫制作及將多個(gè)動(dòng)畫組合進(jìn)行后處理操作等 fluent導(dǎo)入mechanical
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熱阻的實(shí)例教程
探索熱阻測試儀在半導(dǎo)體器件熱管理中的應(yīng)用與前景
隨著半導(dǎo)體器件不斷向高頻、高功率、高集成度方向發(fā)展，器件的有源區(qū)工作溫升也隨之升高，導(dǎo)致性能及長期可靠性降低。為了有效進(jìn)行散熱設(shè)計(jì)和性能檢測，必須精確測量器件有源區(qū)溫度變化并分析熱阻構(gòu)成分布，這對半導(dǎo)體器件生產(chǎn)行業(yè)及使用單位至關(guān)重要。
自1947年第一支雙極性晶體管誕生以來，半導(dǎo)體行業(yè)的迅速發(fā)展改變了社會(huì)面貌并影響著人們的生活。從1965年摩爾定律的提出開始，半導(dǎo)體技術(shù)按摩爾定律不斷發(fā)展，集成電路密度增加、尺寸縮小，導(dǎo)致工作過程中散熱能力下降。熱量積累導(dǎo)致器件結(jié)點(diǎn)溫度升高，進(jìn)而性能下降。因此，熱阻測試、功率測試在半導(dǎo)體研發(fā)中至關(guān)重要。
第一支雙極性晶體管
熱阻是指熱量在熱流路徑上的阻力，是表征介質(zhì)或介質(zhì)間熱傳導(dǎo)能力的重要參數(shù)，其物理意義是單位熱量引起的溫升，單位是℃/W。把溫差看作電壓，把熱流看作電流，那么熱阻就可以看作是電阻。
半導(dǎo)體器件特征尺寸持續(xù)縮小、功率密度增加，導(dǎo)致器件結(jié)溫升高，這直接影響器件性能和壽命。70%的電子器件損壞與高熱環(huán)境應(yīng)力密切相關(guān)。器件的瞬態(tài)溫升與熱阻密切相關(guān)，熱阻由芯片層、焊料層、管殼等組成。利用瞬態(tài)溫升技術(shù)，可測得器件穩(wěn)態(tài)熱阻和溫升，不但可以測得半導(dǎo)體器件穩(wěn)態(tài)熱阻和溫升，而且可以直接測量各部分對于溫升的貢獻(xiàn)，計(jì)算芯片熱流路徑上的縱向熱阻構(gòu)成，對器件熱可靠性設(shè)計(jì)、散熱問題解決、產(chǎn)品性能提升和長期可靠性至關(guān)重要。
半導(dǎo)體器件內(nèi)部熱阻構(gòu)成示意圖
目前，國內(nèi)外對單芯片內(nèi)部熱阻組成和結(jié)殼熱阻進(jìn)行了廣泛研究，并有一些科研院所和企業(yè)研制出了熱阻測試儀。美國AnalysisTec公司的Phase11熱阻測試儀和MicRed公司的T3Ster熱阻測試儀是兩款比較有影響力的商業(yè)化熱阻測試儀。
展開 為了有效進(jìn)行散熱設(shè)計(jì)和性能檢測，必須精確測量器件有源區(qū)溫度變化并分析熱阻構(gòu)成分布，這對半導(dǎo)體器件生產(chǎn)行業(yè)及使用單位至關(guān)重要。
自1947年第一支雙極性晶體管誕生以來，半導(dǎo)體行業(yè)的迅速發(fā)展改變了社會(huì)面貌并影響著人們的生活。從1965年摩爾定律的提出開始，半導(dǎo)體技術(shù)按摩爾定律不斷發(fā)展，集成電路密度增加、尺寸縮小，導(dǎo)致工作過程中散熱能力下降。熱量積累導(dǎo)致器件結(jié)點(diǎn)溫度升高，進(jìn)而性能下降。因此，熱阻測試、功率測試在半導(dǎo)體研發(fā)中至關(guān)重要。
第一支雙極性晶體管
熱阻是指熱量在熱流路徑上的阻力，是表征介質(zhì)或介質(zhì)間熱傳導(dǎo)能力的重要參數(shù)，其物理意義是單位熱量引起的溫升，單位是℃/W。把溫差看作電壓，把熱流看作電流，那么熱阻就可以看作是電阻。
半導(dǎo)體器件特征尺寸持續(xù)縮小、功率密度增加，導(dǎo)致器件結(jié)溫升高，這直接影響器件性能和壽命。70%的電子器件損壞與高熱環(huán)境應(yīng)力密切相關(guān)。器件的瞬態(tài)溫升與熱阻密切相關(guān)，熱阻由芯片層、焊料層、管殼等組成。利用瞬態(tài)溫升技術(shù)，可測得器件穩(wěn)態(tài)熱阻和溫升，不但可以測得半導(dǎo)體器件穩(wěn)態(tài)熱阻和溫升，而且可以直接測量各部分對于溫升的貢獻(xiàn)，計(jì)算芯片熱流路徑上的縱向熱阻構(gòu)成，對器件熱可靠性設(shè)計(jì)、散熱問題解決、產(chǎn)品性能提升和長期可靠性至關(guān)重要。
半導(dǎo)體器件內(nèi)部熱阻構(gòu)成示意圖
目前，國內(nèi)外對單芯片內(nèi)部熱阻組成和結(jié)殼熱阻進(jìn)行了廣泛研究，并有一些科研院所和企業(yè)研制出了熱阻測試儀。美國AnalysisTec公司的Phase11熱阻測試儀和MicRed公司的T3Ster熱阻測試儀是兩款比較有影響力的商業(yè)化熱阻測試儀。Phase11適用于三極管、MOSFET、二極管和IGBT等器件的熱阻測試，操作復(fù)雜，測量周期長。T3Ster可以測量常見三極管、常見二極管、MOS管和LED等半導(dǎo)體器件的熱阻。
展開 可以使用熱阻表示如下：
上圖右上方的IC截面圖中，每個(gè)部分的顏色與電路網(wǎng)圓圈的顏色相匹配（例如芯片為紅色）。芯片溫度TJ通過電路網(wǎng)中所示的熱阻達(dá)到環(huán)境溫度TA。
采用表面安裝的方式安裝在印刷電路板（PCB）上時(shí)，紅色虛線包圍的路徑是主要的散熱路徑。
具體而言，熱量從芯片經(jīng)由鍵合材料（芯片與背面露出框架之間的粘接劑）傳導(dǎo)至背面框架（焊盤），然后通過印刷電路板上的焊料傳導(dǎo)至印刷電路板。然后，該熱量通過來自印刷基板的對流和輻射傳遞到大氣中（TA）。
其他途徑還包括從芯片通過鍵合線傳遞到引線框架、再傳遞到印刷基板來實(shí)現(xiàn)對流和輻射的路徑，以及從芯片通過封裝來實(shí)現(xiàn)對流和輻射的路徑。
如果知道該路徑的熱阻和IC的功率損耗，則可以通過熱歐姆定律來計(jì)算溫度差（在這里為TA和TJ之間的差）。
就如本文所講的，所謂的“熱設(shè)計(jì)”，就是努力減少各處的熱阻，即減少從芯片到大氣的散熱路徑的熱阻， 最終TJ降低并且可靠性提高。
03
左中括號(hào)
什么是熱阻
左中括號(hào)
熱阻是表示熱量傳遞難易程度的數(shù)值。是任意兩點(diǎn)之間的溫度差除以兩點(diǎn)之間流動(dòng)的熱流量（單位時(shí)間內(nèi)流動(dòng)的熱量）而獲得的值。熱阻值高意味著熱量難以傳遞，而熱阻值低意味著熱量易于傳遞。
熱阻的符號(hào)為Rth和θ。Rth來源于熱阻的英文表達(dá)“thermal resistance”。
單位是℃/W（K/W）。
展開 目前開展的建模方式中，大多采用“集總參數(shù)法”對元器件進(jìn)行簡化建模，該方法簡單快速；另一種方式是建立器件的雙熱阻模型，但需要準(zhǔn)確獲知器件的熱阻值，那兩種方法對于板級(jí)仿真準(zhǔn)確性如何呢？
基于此，本案例對比分析了集總參數(shù)法與雙熱阻模型的仿真應(yīng)用，并開展了溫度實(shí)測，討論了不同建模方法與實(shí)測值的符合性。
2、芯片散熱相關(guān)理論簡介
2.1 芯片的散熱方式
一般而言封裝芯片的散熱方式也包含了上述三種熱傳遞形式，即熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射三種方式。元器件主要散熱形式和具體的熱設(shè)計(jì)措施有關(guān)，不存在通用的規(guī)律。如下圖所示，為典型封裝芯片的傳熱路徑。
圖1.典型器件散熱形式
2.2 熱阻理論及元器件建模方法
1、集總參數(shù)法
集總參數(shù)法：即設(shè)置物體內(nèi)部單一導(dǎo)熱率、認(rèn)為物體溫度均勻一致的近似分析方法。該方法簡單、易操作、所需信息少；該方法適用于一般元件，例如電阻、電感等，而對于器件由于封裝內(nèi)部結(jié)構(gòu)、材料不同，導(dǎo)致封裝不同方向?qū)崧蕰?huì)有較大差異，采用集總參數(shù)法建模，則仿真誤差可能相對較大，后續(xù)會(huì)做具體對比分析。
圖2.集總參數(shù)法
2、 雙熱阻模型
對于典型芯片封裝而言，主要的封裝熱阻包括 Die 結(jié)到環(huán)境（Junction-to-Ambient）的熱阻 Rja，結(jié)到殼（Junction-to-Case）的熱阻 Rjc和結(jié)到板（Junction-to-Board）的熱阻 Rjb。
展開 FloEFD熱仿真分析之模型簡化（三）-接觸熱阻
CAE白堤
接觸熱阻
任意兩物體接觸在一起，在其接觸面處存在一定的空氣間隙，由此產(chǎn)生的熱阻為接觸熱阻。如圖所示，接觸面間的凹凸不平，使得有效傳熱面積降低。而且，由于間隙狹小，空氣不能形成有效流動(dòng)，熱量透過這些間隙只能通過熱傳導(dǎo)的形式。空氣導(dǎo)熱系數(shù)是鋁的萬分之一左右，因此，剛性面接觸不嚴(yán)所致的接觸熱阻是熱量導(dǎo)出的關(guān)鍵控制。當(dāng)有大的熱流通過這些接觸面時(shí)，會(huì)在接觸面的兩側(cè)形成較大的溫度梯度。
接觸熱阻的影響因素
l 接觸表面的數(shù)量、形狀、大小及分布規(guī)律
l 接觸表面的幾何形狀（波紋度和粗糙度）
l 非接觸間隙的平均厚度
l 間隙中介質(zhì)種類（真空、液體、氣體）
l 接觸表面的硬度
l 接觸表面壓力大小
l 接觸表面的氧化程度和清潔度
l 接觸材料的導(dǎo)熱系數(shù)
改善接觸熱阻措施
電子設(shè)備中元器件與散熱器之間、元器件與外殼之間、PCB與散熱器之間等等，雖然通過以上的8個(gè)方面一定程度上能改善接觸熱阻。但目前比較通用的方法是采用導(dǎo)熱界面材料來填充，將氣體擠出接觸面，從而降低接觸熱阻值。
熱阻簡化
對某仿真問題，如果已經(jīng)指定了要進(jìn)行固體導(dǎo)熱計(jì)算，則可以再固體與固體或固體與流體接觸面設(shè)置接觸熱阻，可通過輸入接觸熱阻或者輸入接觸層厚度及接觸層的材料屬性來設(shè)定。
文章作者：白堤，碩士，有限元設(shè)計(jì)圈主編，就職于國內(nèi)某知名企業(yè)，主要從事熱設(shè)計(jì)仿真工作。大佬們都還在努力，更何況自己還只是個(gè)學(xué)習(xí)者。希望通過微信公眾號(hào)拋磚引玉，結(jié)交更多志同道合的朋友。仿真之路漫漫其修遠(yuǎn)矣，我將上下而求索。
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熱阻的相關(guān)專題、標(biāo)簽、搜索
熱阻的最新內(nèi)容
傳統(tǒng)的空氣冷卻與間接式液冷存在接觸熱阻大、溫度一致性差等物理局限。浸沒式液冷技術(shù)通過將電芯完全浸沒在絕緣冷卻液中，徹底消除了固-固接觸熱阻，實(shí)現(xiàn)了熱量的快速傳導(dǎo)與吸收，是解決局部熱點(diǎn)問題的最佳方案。為了進(jìn)一步突破碳?xì)浠A(chǔ)液體的導(dǎo)熱極限，引入高導(dǎo)熱的金屬氧化物納米顆粒制備成納米流體（Nanofluids），成為了熱管理介質(zhì)的前沿攻關(guān)方向。
MOSFET的柵極驅(qū)動(dòng)器，為三端雙向可控硅調(diào)光器提供鎖存電流
由于保持電流和鎖定電流，因此具有極好的三端雙向可控硅調(diào)光器兼容性
保護(hù)功能：
過熱保護(hù)，模式可選：
自動(dòng)恢復(fù)模式
鎖存模式（需斷電重啟）
EMI安全運(yùn)行
電氣性能：
功率因數(shù) > 0.9
總諧波失真 < 15%
熱關(guān)斷溫度：160°C
封裝：
熱增強(qiáng)型QFN 20引腳（6mm × 6mm）
熱阻
通過施加微小凸點(diǎn)或棱條，熱源表面積增加，溫度可能會(huì)下降，更重要的是，凸點(diǎn)或棱條減少了與人體接觸的有效面積，提高了接觸熱阻，人體燙感被緩解。
10:55-11:40 | 功率模塊設(shè)計(jì)平臺(tái)：電熱耦合和自動(dòng)化的最佳實(shí)踐
演講嘉賓：
（Ansys現(xiàn)為新思科技旗下公司）
廉海潯 | Ansys應(yīng)用工程主管
2021年加入 Ansys，具備豐富的液冷與風(fēng)冷熱管理經(jīng)驗(yàn)，目前主要負(fù)責(zé) Icepak 的產(chǎn)品支持及應(yīng)用流程搭建工作，專注于熱阻網(wǎng)絡(luò)分析方法與相關(guān)熱仿真設(shè)計(jì)流程的構(gòu)建與優(yōu)化，熟悉并掌握多種冷卻方案及其工程應(yīng)用，能夠?yàn)殡娮酉到y(tǒng)熱設(shè)計(jì)提供專業(yè)支持
為防止溫度過度升高，可將同樣由Greenchip提供的GHV熱阻TR與IC內(nèi)部熱阻TR并聯(lián)連接；此舉既能避免IC過熱及功能故障，也有助于設(shè)計(jì)出比單個(gè)IC具有更高輸入功率容量的系統(tǒng)。
、并聯(lián)或混聯(lián)LED布局
保護(hù)機(jī)制：內(nèi)置過熱保護(hù)，溫度超160°C時(shí)自動(dòng)降流
封裝形式：SOT-89-3L，適配金屬基板以優(yōu)化散熱
技術(shù)參數(shù)：
輸入電壓（VIN）：-0.3V ~ +700V
較大輸出電流：150mA
RCS參考電壓：1.0V（典型值）
熱關(guān)斷閾值：160°C（恢復(fù)遲滯70°C）
工作溫度范圍：-20°C ~ +85°C
結(jié)溫限值：125°C
熱阻
同時(shí)，基于該背景，最近的研究表明，因?yàn)榫哂休^高的開關(guān)頻率、熱阻和擊穿電壓，SiC金屬氧化物場效應(yīng)晶體管（MOSFET）對于電動(dòng)汽車動(dòng)力總成的發(fā)展至關(guān)重要。
這對于半導(dǎo)體技術(shù)解決方案的領(lǐng)先企業(yè)意法半導(dǎo)體（STMicroelectronics）而言，是一個(gè)好消息。ST率先推出了汽車級(jí)SiC MOSFET，并提供了STPOWER? SiC器件，該器件已經(jīng)為目前上路行駛的500多萬輛乘用車提供動(dòng)力。
ANSYS的熱分析模塊如何選擇使用，太多了，不知道怎么選4個(gè)月前
o 雙向耦合：熱?結(jié)構(gòu)（變形改變接觸熱阻 / 對流面積），適合大變形、接觸界面熱阻敏感的問題（如剎車盤熱 - 應(yīng)力耦合）。
三、模塊選擇建議
1. 優(yōu)先選穩(wěn)態(tài)熱分析做快速方案篩選，再用瞬態(tài)熱分析驗(yàn)證動(dòng)態(tài)響應(yīng)，最后用Fluent優(yōu)化流體對流細(xì)節(jié)。
2.
其中可以根據(jù)已知的物理信息與知識(shí)，自定義建模所需的基礎(chǔ)參數(shù)或高階輸入?yún)?shù)（如等效熱阻，等效散熱面積等），實(shí)現(xiàn)物理場與數(shù)學(xué)建模之間的結(jié)合，形成更符合預(yù)期的結(jié)果。結(jié)果輸出方式多樣，可結(jié)合Python或excel封裝成工具供設(shè)計(jì)人員使用。
? 增材制造領(lǐng)域：支持復(fù)雜點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)仿真，某團(tuán)隊(duì)借助其優(yōu)化的Kagome點(diǎn)陣?yán)浒逶O(shè)計(jì)，在ASME國際競賽中實(shí)現(xiàn)熱阻、壓降與質(zhì)量的最優(yōu)平衡，F(xiàn)oM（性能因子）較傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)提升11.39%，且通過仿真提前驗(yàn)證了0.2mm細(xì)桿結(jié)構(gòu)的可制造性。
? 通用機(jī)械領(lǐng)域：家電、HVAC等產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，通過氣流組織與溫度分布仿真，結(jié)合帕累托前沿分析，可快速找到“性能-噪音”平衡點(diǎn)，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期65-75%。
