接觸熱阻的案例
芯片與散熱器之間的接觸熱阻的評(píng)估
芯片與散熱器接觸面間填充的介質(zhì)，由于其導(dǎo)熱率低于固體材料，芯片上表面的部分熱量無(wú)法有效導(dǎo)出，從而在兩接觸面之間會(huì)形成溫度差，熱量流經(jīng)接觸面時(shí)仿佛遇到了阻力，該物理現(xiàn)象便稱為接觸熱阻。
接觸熱阻的形成對(duì)芯片散熱是不利的，然而芯片與散熱器之間的接觸熱阻確是客觀存在的，只能減小，無(wú)法消除。接觸熱阻的大小與材料表面粗糙度、接觸壓力以及填充介質(zhì)均有關(guān)系，表面粗糙度越小，接觸壓力越大，介質(zhì)導(dǎo)熱率越高，形成的接觸熱阻就越小。
接觸熱阻的評(píng)估，在風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和方案篩選階段可忽略，但在詳細(xì)設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，必須慎重評(píng)估，不可忽略，可根據(jù)以前的仿真和實(shí)測(cè)的復(fù)盤，反推出接觸熱阻的大小，典型值可用0.3℃/W進(jìn)行計(jì)算評(píng)估，具體跟平面度、粗糙度、緊固力和填充介質(zhì)有關(guān)。
展開(kāi) 基于ansys workbench 多層復(fù)合壁的導(dǎo)熱（體現(xiàn)接觸熱阻）
問(wèn)題描述：多層復(fù)合壁的導(dǎo)熱問(wèn)題，不同接觸熱阻下的接觸面溫度的對(duì)比
分析類型：穩(wěn)態(tài)熱分析
分析平臺(tái)：ANSYS Workbench 17.0
分析人：技術(shù)鄰 一無(wú)所有就是打拼的理由
業(yè)務(wù)咨詢網(wǎng)址：http://www.yqgqt.org.cn/b/218
一、傳熱基本知識(shí)：
熱傳導(dǎo)熱量傳輸速率方程就是傅里葉定律。傅里葉一般規(guī)律：導(dǎo)熱的熱流密度大小與該處的溫度梯度成正比，其方向與溫度梯度的方向相反，指向溫度降低的方向，數(shù)學(xué)表達(dá)式為：
熱流密度矢量的表達(dá)式為：
不同坐標(biāo)系下的導(dǎo)熱微分方程：
直角坐標(biāo)系：
圓柱坐標(biāo)系：
球坐標(biāo)系：
導(dǎo)熱微分方程式描寫(xiě)物體的溫度隨時(shí)間和空間變化的關(guān)系；它沒(méi)有涉及具體、特定的導(dǎo)熱過(guò)程，是通用表達(dá)式。在不同情況下，均可簡(jiǎn)化為不同形式。
二、多層復(fù)合壁導(dǎo)熱示意圖：
接觸熱阻：當(dāng)一固體與另一熱固體接觸以接受熱量時(shí)，由于固體表面都有一定的粗糙度，所以無(wú)法避免在接觸面之間存有空氣。甚至液體和金屬表面接觸，在凹陷的地方也可能存有極少量的空氣泡排不出去。由于這些空氣的存在而產(chǎn)生的熱阻稱為接觸熱阻。
多層復(fù)合壁模型：
從左往右三層的材料分別為銅，鋁，鋼，厚度分別為10mm，15mm，5mm，模型如下：
接觸熱阻為100000時(shí)溫度場(chǎng)分布及溫度變化云圖如下：
當(dāng)接觸熱阻為1000時(shí)，銅與鋁交界面的溫度為99.207攝氏度，鋁與鋼交界面的溫度為64.407攝氏度；當(dāng)接觸熱阻為1000000時(shí)，銅與鋁交界面的溫度為91.424攝氏度，鋁與鋼交界面的溫度為58.766攝氏度。從結(jié)果可以看出，接觸熱阻對(duì)多層復(fù)合壁導(dǎo)熱的影響較為明顯。
展開(kāi) FloEFD熱仿真分析之模型簡(jiǎn)化（三）-接觸熱阻
FloEFD熱仿真分析之模型簡(jiǎn)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(guò)這些間隙只能通過(guò)熱傳導(dǎo)的形式。空氣導(dǎo)熱系數(shù)是鋁的萬(wàn)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(guò)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(guò)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(lái)填充，將氣體擠出接觸面，從而降低接觸熱阻值。
熱阻簡(jiǎn)化
對(duì)某仿真問(wèn)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(guò)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(lái)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(guó)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(guò)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。
展開(kāi) 導(dǎo)熱分析時(shí)的接觸熱阻 ￥20
在傳感器設(shè)計(jì)中，熱量從熱源傳遞到芯片，如果將芯片用壓貼的方法，芯片跟熱源中間的熱阻對(duì)芯片的響應(yīng)時(shí)間有很大的影響。在這些熱阻中，接觸熱阻又是最重要的組成部分。
接觸熱阻在很多情況下是關(guān)于壓力的函數(shù)。
下圖中顯示了接觸熱阻跟壓力的關(guān)系，三根曲線分別是接觸面是本體本身的材料，即接觸面為空氣。除此之外還有氦氣跟導(dǎo)熱脂。
壓力很小時(shí)熱阻很大，隨著壓力的增加熱阻逐漸減小，直到到達(dá)一個(gè)穩(wěn)定的值。
我們可以通過(guò)上面的曲線得到接觸熱阻的值，從而進(jìn)行傳熱的計(jì)算。但是很多情況下，接觸面的壓力并不是平均分布的，如果是螺栓連接，那么在近螺母處，接觸壓力比較大，如何在CAE分析時(shí)考慮壓力分布不均的影響呢。
模型使用100*100*10mm的塑料板，螺栓直徑為10mm，考慮螺栓預(yù)緊力為10Mpa時(shí)接觸壓力的分布。隨后將鐵板一面設(shè)置為100攝氏度，另一面設(shè)置為自然對(duì)流，對(duì)流系數(shù)為10w/m^2K, 環(huán)境溫度為20℃。
計(jì)算結(jié)果如下
圖1: 接觸面壓力分布
圖2. 接觸后的變形（放大100倍）
圖3：10s后溫度分布，可見(jiàn)溫度首先在接觸壓力大的地方傳遞
圖4. 接觸面上的熱通量
展開(kāi) 
仿真咨詢實(shí)戰(zhàn)：熱流固耦合分析
TASK
熱流固耦合分析中包括沸騰模型修正、接觸熱阻 計(jì)算和位移的傅立葉分解這三項(xiàng)功能。由于模型中部分區(qū)域發(fā)生了沸騰，非沸騰態(tài)下的換熱公式不再適用于計(jì)算沸騰態(tài)下的換熱量，因此需要對(duì)模型的換熱系數(shù)進(jìn)行修正；接觸熱阻程序?qū)崿F(xiàn)的功能是根據(jù)接觸面之間的實(shí)際接觸面積、接觸表面的材料、接觸面間隙中介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)和接觸面的壓力計(jì)算接觸面的接觸熱阻；對(duì)于已知的位移結(jié)果，可以在二維坐標(biāo)系下可以將該平面內(nèi)的位移進(jìn)行傅立葉分解，展開(kāi)成多階傅立葉級(jí)數(shù)。
SOLUTION
主要技術(shù)挑戰(zhàn)：
沸騰修正涉及結(jié)構(gòu)模型和流體模型之間網(wǎng)格的插值和數(shù)據(jù)傳遞；
接觸熱阻公式較復(fù)雜，涉及物理量較多；
位移傅立葉分解計(jì)算較復(fù)雜；
解決方案：
開(kāi)發(fā)沸騰修正模板，實(shí)現(xiàn)插值和模型修正功能；
開(kāi)發(fā)接觸熱阻模板，實(shí)現(xiàn)熱阻公式的計(jì)算；
開(kāi)發(fā)位移傅立葉分解模板，實(shí)現(xiàn)位移的傅立葉分解，并合并各階結(jié)果；
提供豐富的參數(shù)輸入和輸出界面；
結(jié)論：
形成了完整的熱流固耦合分析模板；
模板包括了沸騰修正、接觸熱阻和位移傅立葉分解功能。
Customer Benefit
熱流固耦合分析模板搭建的流程包含了沸騰修正、接觸熱阻和位移傅立葉分解的功能，已經(jīng)直接集成在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)仿真分析模板系統(tǒng)中，成為了柴油機(jī)整體仿真方案的一部分。
本文來(lái)自安世亞太微信公號(hào)，如果您對(duì)耦合分析有需求或感興趣，歡迎聯(lián)系溝通：
400-6600-388
展開(kāi) CFD|共軛傳熱
主要用于固體之間無(wú)熱阻接觸的情況。（焊接、焊接等）
節(jié)點(diǎn)合并方式的節(jié)點(diǎn)組成和解析溫度分布
接觸條件–恒定熱阻
當(dāng)區(qū)域1和區(qū)域2相切時(shí)，保持構(gòu)成邊界面的每個(gè)區(qū)域的切點(diǎn)不變，并賦予接觸條件。通過(guò)設(shè)置薄的邊界區(qū)域，可以計(jì)算每個(gè)區(qū)域的不同溫度值，因此可以應(yīng)用恒定熱阻來(lái)實(shí)現(xiàn)接觸熱阻。
主要適用于通過(guò)締合進(jìn)行簡(jiǎn)單接觸的固體之間的邊界面。
接觸條件方式的節(jié)點(diǎn)配置和接觸熱阻應(yīng)用時(shí)解析溫度分布
接觸條件-熱邊界層
由于壁面上流體產(chǎn)生的熱邊界層與常用的計(jì)算流體力學(xué)中使用的元素大小相比非常薄，因此在不使用相當(dāng)稠密的元素網(wǎng)的情況下，很難數(shù)值求解溫度分布。此時(shí)，可以使用熱邊界層模型，它利用壁面流動(dòng)物理量計(jì)算并應(yīng)用流體和固體之間的熱流速作為熱壁函數(shù)（式⑨）。
即使使用切點(diǎn)合并方法，也可以應(yīng)用考慮熱邊界層的熱流速，但由于與壁面接觸的流體的溫度梯度很大，也可能會(huì)扭曲流體區(qū)域內(nèi)的溫度分布。所以通過(guò)改變接觸條件，區(qū)分壁面處固體溫度和流體溫度，就像應(yīng)用接觸熱阻一樣，使用計(jì)算出的對(duì)流熱傳遞系數(shù)（h；heat transfer coefficient）的倒數(shù)作為熱阻的方法更準(zhǔn)確。
接觸條件的節(jié)點(diǎn)配置和熱邊界層應(yīng)用時(shí)的解析溫度分布
文章來(lái)源：midas機(jī)械事業(yè)部
展開(kāi) 用Fluent進(jìn)行電子器件散熱仿真分析，這些經(jīng)驗(yàn)不可不知
需要注意的是，當(dāng)硅膠兩側(cè)的兩個(gè)面簡(jiǎn)化成二維薄殼之后，要尤其注意未填充硅膠的部分，不能采用默認(rèn)的方法或放任不管，否則這些區(qū)域?qū)⒊霈F(xiàn)零熱阻的情況（此時(shí)該區(qū)域的導(dǎo)熱性能就要優(yōu)于填充硅膠的區(qū)域），這是不合理的；這部分區(qū)域建議按照接觸熱阻的方法處理。
圖10 硅膠的厚度通常都非常薄
六、接觸熱阻
Fluent 標(biāo)準(zhǔn)界面中沒(méi)有直接的接觸熱阻設(shè)置 GUI 界面，通常的處理方法是在兩個(gè)面之間額外增加材料（并指定厚度），從而達(dá)到等效的結(jié)果。方法可以采用薄壁方式（Thin Wall）或者殼單元（Shell Conduction），整體上與硅膠的簡(jiǎn)化方式類似。
圖11 無(wú)厚度硅膠與空氣熱阻的等效方式
圖12 接觸熱阻的等效方法
七、塑料零件
在電子設(shè)備中還可能出現(xiàn)一類塑料零件，比如風(fēng)扇卡口、塑料螺釘?shù)取?duì)于這一類塑料零件，建議按照不同于金屬件的另外一種思路處理。
對(duì)于電子散熱仿真，必須按照流固耦合共軛換熱問(wèn)題進(jìn)行分析，因此流體區(qū)域和絕大多數(shù)的固體區(qū)域都建議劃分體網(wǎng)格。但對(duì)于塑料零件，則不建議對(duì)他們劃分體網(wǎng)格，合理的方法是選擇將他們（簡(jiǎn)化后）從流體區(qū)域中直接刪除，原因如下：
① 塑料件本身不發(fā)熱；
② 塑料件導(dǎo)熱性能也很差，可以認(rèn)為是絕熱；
③ 塑料件唯一可能的作用，就是在某些特殊的位置對(duì)流場(chǎng)產(chǎn)生影響。
所以在確認(rèn)某些零件是塑料件（或其他導(dǎo)熱性能差的材料）時(shí)，可以放心的刪除掉他們，不需要?jiǎng)澐煮w網(wǎng)格，對(duì)應(yīng)的流體邊界，則可以設(shè)置絕熱的壁面條件。
圖13 電子散熱問(wèn)題中的塑料件
來(lái)源：仿真秀
展開(kāi) 用Fluent進(jìn)行電子器件散熱仿真分析，這些經(jīng)驗(yàn)不可不知
需要注意的是，當(dāng)硅膠兩側(cè)的兩個(gè)面簡(jiǎn)化成二維薄殼之后，要尤其注意未填充硅膠的部分，不能采用默認(rèn)的方法或放任不管，否則這些區(qū)域?qū)⒊霈F(xiàn)零熱阻的情況（此時(shí)該區(qū)域的導(dǎo)熱性能就要優(yōu)于填充硅膠的區(qū)域），這是不合理的；這部分區(qū)域建議按照接觸熱阻的方法處理。
圖10 硅膠的厚度通常都非常薄
接觸熱阻
Fluent 標(biāo)準(zhǔn)界面中沒(méi)有直接的接觸熱阻設(shè)置 GUI 界面，通常的處理方法是在兩個(gè)面之間額外增加材料（并指定厚度），從而達(dá)到等效的結(jié)果。方法可以采用薄壁方式（Thin Wall）或者殼單元（Shell Conduction），整體上與硅膠的簡(jiǎn)化方式類似。
圖11 無(wú)厚度硅膠與空氣熱阻的等效方式
圖12 接觸熱阻的等效方法
塑料零件
在電子設(shè)備中還可能出現(xiàn)一類塑料零件，比如風(fēng)扇卡口、塑料螺釘?shù)取?duì)于這一類塑料零件，建議按照不同于金屬件的另外一種思路處理。
對(duì)于電子散熱仿真，必須按照流固耦合共軛換熱問(wèn)題進(jìn)行分析，因此流體區(qū)域和絕大多數(shù)的固體區(qū)域都建議劃分體網(wǎng)格。但對(duì)于塑料零件，則不建議對(duì)他們劃分體網(wǎng)格，合理的方法是選擇將他們（簡(jiǎn)化后）從流體區(qū)域中直接刪除，原因如下：
① 塑料件本身不發(fā)熱；
② 塑料件導(dǎo)熱性能也很差，可以認(rèn)為是絕熱；
③ 塑料件唯一可能的作用，就是在某些特殊的位置對(duì)流場(chǎng)產(chǎn)生影響。
所以在確認(rèn)某些零件是塑料件（或其他導(dǎo)熱性能差的材料）時(shí)，可以放心的刪除掉他們，不需要?jiǎng)澐煮w網(wǎng)格，對(duì)應(yīng)的流體邊界，則可以設(shè)置絕熱的壁面條件。
圖13 電子散熱問(wèn)題中的塑料件
展開(kāi) 【經(jīng)驗(yàn)貼】用Fluent進(jìn)行電子器件散熱仿真分析，這些經(jīng)驗(yàn)必須要知道！
需要注意的是，當(dāng)硅膠兩側(cè)的兩個(gè)面簡(jiǎn)化成二維薄殼之后，要尤其注意未填充硅膠的部分，不能采用默認(rèn)的方法或放任不管，否則這些區(qū)域?qū)⒊霈F(xiàn)零熱阻的情況（此時(shí)該區(qū)域的導(dǎo)熱性能就要優(yōu)于填充硅膠的區(qū)域），這是不合理的；這部分區(qū)域建議按照接觸熱阻的方法處理。
圖10 硅膠的厚度通常都非常薄
接觸熱阻
Fluent 標(biāo)準(zhǔn)界面中沒(méi)有直接的接觸熱阻設(shè)置 GUI 界面，通常的處理方法是在兩個(gè)面之間額外增加材料（并指定厚度），從而達(dá)到等效的結(jié)果。方法可以采用薄壁方式（Thin Wall）或者殼單元（Shell Conduction），整體上與硅膠的簡(jiǎn)化方式類似。
圖11 無(wú)厚度硅膠與空氣熱阻的等效方式
圖12 接觸熱阻的等效方法
塑料零件
在電子設(shè)備中還可能出現(xiàn)一類塑料零件，比如風(fēng)扇卡口、塑料螺釘?shù)取?duì)于這一類塑料零件，建議按照不同于金屬件的另外一種思路處理。
對(duì)于電子散熱仿真，必須按照流固耦合共軛換熱問(wèn)題進(jìn)行分析，因此流體區(qū)域和絕大多數(shù)的固體區(qū)域都建議劃分體網(wǎng)格。但對(duì)于塑料零件，則不建議對(duì)他們劃分體網(wǎng)格，合理的方法是選擇將他們（簡(jiǎn)化后）從流體區(qū)域中直接刪除，原因如下：
① 塑料件本身不發(fā)熱；
② 塑料件導(dǎo)熱性能也很差，可以認(rèn)為是絕熱；
③ 塑料件唯一可能的作用，就是在某些特殊的位置對(duì)流場(chǎng)產(chǎn)生影響。
所以在確認(rèn)某些零件是塑料件（或其他導(dǎo)熱性能差的材料）時(shí)，可以放心的刪除掉他們，不需要?jiǎng)澐煮w網(wǎng)格，對(duì)應(yīng)的流體邊界，則可以設(shè)置絕熱的壁面條件。
圖13 電子散熱問(wèn)題中的塑料件
展開(kāi) 不同類型界面材料(ThermaI Interface Materials TIM )的特性與材料性質(zhì)
3.接觸熱阻(Contact Resistance)
熱界面材料在使用時(shí)，除了要考慮材料本身的熱傳導(dǎo)特性外，還需要考慮其與兩接合材料的接觸熱阻。影響接觸熱阻的因素有：
(1)接觸表面的平整度及粗糙度：平整度差及粗糙度大，則接觸阻抗大；
(2)TIM的粘性：粘性越高，接觸阻抗越高；
(3)Filler的粒徑大小：Filler粒徑越大越難填補(bǔ)微孔隙；
(4)TIM表面張力：表面張力越大越難潤(rùn)濕接觸表面：
(5)施加的壓力：施加的壓力越大，接觸熱阻越小，但有極限。
針對(duì)以上影響因素，Prasher等人歸納提出一簡(jiǎn)單的關(guān)系式：
因?yàn)?em>接觸面間存在高低不平的凹洞及空氣，無(wú)法達(dá)到完全接觸。但增加施加的壓力及毛細(xì)力能提高實(shí)際傳熱接觸面積，因此可用以下幾種方法降低接觸熱阻：
1.增加壓力；
2.減少表面粗糙度；
3.增加TIM熱傳導(dǎo)率；
4.改變表面化學(xué)活性來(lái)增加毛細(xì)力。
以上所述是影響熱界面材料的重要參數(shù)。要降低TIM的熱阻抗、提高傳熱性，一方面要
提高界面材料的熱傳導(dǎo)率，另一方面要降低接合厚度及接觸阻熱。以上理論分析并不復(fù)雜，但實(shí)施工藝卻會(huì)有很多問(wèn)題，其中主要還涉及到很多工藝參數(shù)，而且彼此之間有相互影響。如圖10所示，當(dāng)填充料的體積百分率增加時(shí)，熱傳導(dǎo)率隨之增加，但粘性及接觸阻抗也相對(duì)增加。因此，要得到最佳的材料配方仍需要進(jìn)行深入研究。
特定應(yīng)用中熱界面材料的選擇要考慮多種因素，其中性能、可制造性和成本是首要因素。所期望的熱界面材料特性應(yīng)包括：低實(shí)時(shí)熱阻；高熱導(dǎo)率；能在實(shí)際組裝條件下實(shí)現(xiàn)低粘結(jié)厚度BLT：以及實(shí)際使用時(shí)各層面間能保持低的界面熱阻。能夠在整個(gè)器件壽命期間保持其熱性能和機(jī)械性能穩(wěn)定，并且在目前的制造環(huán)境中容易加工。如果需要作為結(jié)構(gòu)支撐時(shí)還應(yīng)有足夠的粘合力。
展開(kāi) 導(dǎo)熱材料選擇與計(jì)算
熱阻的單位是°C/W,表示了傳遞單位速率熱量時(shí)的溫差。熱阻的定義有些類似歐姆定律Re = ΔV/I 所定義的電阻Re。其中ΔV 是電位差，I 是電流。
以一個(gè)簡(jiǎn)單的例子進(jìn)行說(shuō)明。如圖1，散熱片安裝在一個(gè)器件的上方。通過(guò)熱阻網(wǎng)絡(luò)的方法，可以在圖1 的右方畫(huà)出系統(tǒng)的熱阻網(wǎng)絡(luò)。在這個(gè)簡(jiǎn)單的熱阻網(wǎng)絡(luò)模型中，熱量連續(xù)的從器件的晶結(jié)到達(dá)殼體，然后通過(guò)和散熱片的接觸面到達(dá)散熱片上，最終被通過(guò)散熱片的氣流所帶走。
其間的晶結(jié)到殼體間的熱阻定義如下：
Rjc = (ΔTjc)/Q = (Tj - Tc)/Q
這個(gè)熱阻值通常由期間制造上所提供。盡管給定器件的Rjc 值還依賴于冷卻的方式和冷卻裝置安裝的位置。但是，通常Rjc 是一個(gè)給出的定值，并且一般認(rèn)為用戶無(wú)法去改變的Rjc 的值。
同樣的，殼體-散熱片/散熱片-環(huán)境的熱阻值分別定義如下：
Rcs = (ΔTcs)/Q = (Tc - Ts)/Q
Rsa = (ΔTsa)/Q = (Ts - Ta)/Q
其中，Rcs 表示了通過(guò)殼體到散熱片之間接觸面的熱阻，通常叫做接觸熱阻（這里似乎忽略了散熱片內(nèi)部的熱阻），而通過(guò)減少接觸面的粗糙度或是使用適當(dāng)?shù)慕缑娌牧峡梢詼p少接觸熱阻。Rsa 則是散熱片到空氣的熱阻。
可以看出，從器件的晶結(jié)到環(huán)境的總熱阻是以上三個(gè)熱阻之和，如下：
Rja = Rjc + Rcs + Rsa = (Tj - Ta)/Q
所需散熱片的熱阻選擇散熱片的第一步就是決定所需散熱片的熱阻，以保證所冷卻器件工作在允許的溫度內(nèi)。上面的熱阻求和的方程可以寫(xiě)成下式的形式，從而得到所需的散熱片熱阻。
展開(kāi) 
二極管溫升優(yōu)化案例
分析時(shí)溫升最低的優(yōu)化方案二因?yàn)槭怯?A Diode適用的銅管手工加工而成導(dǎo)致接觸熱阻過(guò)大而溫升只降了50C
由于溫升分析中未考慮接觸熱阻的影響，所以仿真與測(cè)試結(jié)果并不能全部吻合。
FCBGA封裝的 CPU 芯片散熱性能影響因素研究
因此，為提高芯片散熱效率，需要盡量減少芯片晶圓到外界環(huán)境的散熱熱阻。如圖2所示，為某FCBGA封裝的CPU傳熱結(jié)構(gòu)和傳熱熱阻鏈路示意圖。
圖2 某FCBGA封裝CPU傳熱路徑
根據(jù)CPU的傳熱熱阻路徑可以得到如式(1)和式(2)所示的熱阻和溫差計(jì)算公式：
Tj-Ta=Q*(Rjc+Rcs+Rsa) (1)
Tj-Ta=ΔTjc+ΔTTIM2+ΔTheatsink (2)
其中，Tj表示芯片結(jié)溫,單位為℃；Tc(見(jiàn)圖2)表示芯片殼溫，單位為℃；Ts(見(jiàn)圖2)表示散熱器基板溫度，單位為℃；Ta 表示環(huán)境溫度，單位為℃；Q表示芯片功耗，單位為W；ΔTjc 表示芯片結(jié)殼溫差，單位為℃；ΔTTIM2 表示界面材料 TIM2的上下表面溫差，單位為℃；Theatsink表示散熱器基板和空氣的溫差，單位為℃；Rjc表示芯片結(jié)殼熱阻，單位為℃/W，主要由封裝結(jié)構(gòu)、材料屬性決定；Rcs表示接觸熱阻，單位為℃/W，主要由 TIM2的厚度、導(dǎo)熱系數(shù)及有效傳導(dǎo)面積決定；Rsa表示散熱器熱阻，單位為℃/W，主要由散熱器本身屬性決定。
由式(1)熱阻計(jì)算公式可知，當(dāng)環(huán)境溫度和芯片功耗一定時(shí)，芯片結(jié)到外界環(huán)境的熱阻越低，芯片的結(jié)溫就越小。而芯片結(jié)到環(huán)境的熱阻由結(jié)殼熱阻、接觸熱阻及散熱器熱阻三者之和組成，其中結(jié)殼熱阻為芯片內(nèi)部熱阻，接觸熱阻和散熱器熱阻為芯片外部熱阻。
本文以芯片內(nèi)部熱阻為研究目標(biāo)，通過(guò)芯片級(jí)熱仿真和控制變量法，分析芯片封裝結(jié)構(gòu)和材料參數(shù)對(duì)芯片散熱效率的影響，即對(duì)芯片結(jié)殼熱阻或溫度的影響。
展開(kāi) 散熱基礎(chǔ)知識(shí)簡(jiǎn)介
利用傳導(dǎo)進(jìn)行散熱的方法有：增大接觸面積，選擇導(dǎo)熱系數(shù)大的材料，縮短熱流通路，提高接觸面的表面質(zhì)量，在接觸面填導(dǎo)熱脂或加導(dǎo)熱墊，接觸壓力均勻等。
對(duì)流
對(duì)流是固體表面和流體表面間傳熱的主要方式。對(duì)流分為自由對(duì)流和強(qiáng)迫對(duì)流，是電子設(shè)備普遍采用的一種散熱方式——所謂的自然對(duì)流是因?yàn)槔洹崃黧w的密度差引起的流動(dòng)，而強(qiáng)迫風(fēng)冷是由外力迫使流體進(jìn)行流動(dòng)，更多是因?yàn)閴毫Σ疃鸬牧鲃?dòng)。產(chǎn)品設(shè)計(jì)中提到的風(fēng)冷散熱和水冷散熱都屬于對(duì)流散熱方式。
影響對(duì)了換熱的因素很多，主要包含：流態(tài)（層流/湍流）、流體本身的物理性質(zhì)、換熱面的因素（大小、粗糙程度、放置方向）等。
輻射
輻射是在真空中進(jìn)行傳熱的唯一方式，它是量子從熱體（輻射體）到冷體（吸收體）的轉(zhuǎn)移。
提高輻射散熱的方法有：提高冷體的黑度，增大輻射體與冷體之間的角系數(shù)，增大輻射面積等。
2、 增強(qiáng)散熱的方式
電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)可以通過(guò)以下幾種方式增強(qiáng)散熱：
增加有效散熱面積：散熱面積越大，熱量被帶走的越多
增加強(qiáng)迫風(fēng)冷的風(fēng)速、增大物體表面的對(duì)流換熱系數(shù)
減小接觸熱阻：在芯片與散熱器之間涂抹導(dǎo)熱硅脂或者填充導(dǎo)熱墊片，可有效減小接觸面的接觸熱阻，這種方法在電子產(chǎn)品中最常見(jiàn)。
破環(huán)固體表面的層流邊界層，增加紊流度。由于固體壁面的速度為0，在壁面形成流動(dòng)的邊界層，凹凸不規(guī)則的表面可以有效破壞壁面的層流邊界，增強(qiáng)對(duì)流換熱。
減小熱路的熱阻：因?yàn)榭諝獾膶?dǎo)熱系數(shù)比較小，狹小空間內(nèi)的空氣容易形成熱阻塞，因此熱阻較大。如果在器件和機(jī)箱外殼間填充絕緣的導(dǎo)熱墊片，則熱阻勢(shì)必降低，有利于其散熱。
增加殼體內(nèi)外表面、散熱器表面等的發(fā)射率：對(duì)于一個(gè)密閉的自然對(duì)流的電子機(jī)箱，當(dāng)殼體內(nèi)外表面氧化處理比不氧化處理時(shí)元件的溫升平均下降10%。
展開(kāi) Workbench瞬態(tài)熱分析（原創(chuàng)，若轉(zhuǎn)載，請(qǐng)注明出處）
在裝配體的熱分析中，我們還要考慮到接觸區(qū)域傳熱，由于接觸面可能存在表面粗糙度，接觸壓力等情況存在，導(dǎo)致存在接觸熱阻。接觸面存在兩種傳熱方式，一種是附體間的熱傳遞，另一種是通過(guò)空隙層的熱傳導(dǎo)，但因?yàn)闅怏w的熱導(dǎo)率比較低，所以接觸熱阻不利于傳熱。由于鋼球散熱與時(shí)間有關(guān)，我們選擇瞬態(tài)熱分析進(jìn)行鋼球的散熱分析。
二、分析思路及流程
在分析中，我們忽略空氣的流動(dòng)。先進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱分析，獲得瞬態(tài)熱分析的初始條件，然后將其傳遞到瞬態(tài)熱分析中；在瞬態(tài)熱分析中添加空氣對(duì)流換熱，來(lái)求解隨時(shí)間變化的溫度場(chǎng)。分析流程如下圖所示：
三、模型建立及網(wǎng)格劃分：
由于選取模型比較簡(jiǎn)單，我們?cè)贒M中建立一個(gè)鋼球，選擇鋼球的半徑為30mm，然后在外側(cè)包絡(luò)一層空氣，包絡(luò)厚度選擇30mm，由于模型是對(duì)稱的，為了節(jié)省計(jì)算時(shí)間，減少計(jì)算量，選取1/4模型進(jìn)行研究（也可以選取1/8）。由于模型較為簡(jiǎn)單，網(wǎng)格采用自動(dòng)劃分，模型及網(wǎng)格如下圖所示：
四、邊界條件施加及結(jié)果分析：
因?yàn)樵搯?wèn)題為瞬態(tài)熱分析，我們需要先進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱分析獲得瞬態(tài)熱分析所需要的初始條件，對(duì)鋼球設(shè)置初始溫度為900攝氏度，空氣初始溫度為22攝氏度，將穩(wěn)態(tài)熱分析的結(jié)果作為瞬態(tài)分析的初始條件，對(duì)空氣對(duì)流換熱系數(shù)為10W/m2K。對(duì)瞬態(tài)熱分析分為2個(gè)時(shí)間步，兩個(gè)時(shí)間步分別設(shè)置為60s，因此鋼球散熱共計(jì)120s。
鋼球在散熱120s后的溫度場(chǎng)如下圖所示，從圖中可以看出，鋼球向空氣散熱120s后，鋼球的最高溫度為895.91攝氏度，靠近鋼球側(cè)的空氣溫度上升較為明顯，基本接近鋼球溫度。離鋼球越遠(yuǎn)處空氣溫度越低，最外側(cè)空氣最低溫度為55.811攝氏度。
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