熱阻分析
關(guān)注創(chuàng)建者：匿名 創(chuàng)建時(shí)間：2026-01-04
熱阻分析的實(shí)例教程
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 選中雙熱阻模型可以查看結(jié)溫
文章來源：飛奔向地球的豬
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(jiǎn)化
對(duì)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(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 在這些情況下，由熱界面引起的熱阻可能大于材料本身的熱阻，并在熱傳遞中起關(guān)鍵作用。但是，由于熱界面周圍的復(fù)雜性，如原子結(jié)構(gòu)不匹配，熱載體之間的相互作用等，更好地理解界面阻力仍然是最近研究工作的中心。
近年來，在界面熱輸運(yùn)理論和模擬方面取得了許多進(jìn)展，主要集中在原子尺度上的界面散射。傳統(tǒng)的聲學(xué)失配模型(AMM)和擴(kuò)散失配模型( DMM)基于兩種組成材料的性質(zhì)來預(yù)測(cè)界面聲子散射，沒有考慮局部原子結(jié)構(gòu)和鍵合強(qiáng)度對(duì)界面熱輸運(yùn)的影響，存在一定的缺陷。
近期新的模擬手段，例如原子格林函數(shù)(AGF)和分子動(dòng)力學(xué)(MD)模擬，克服了這些缺點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于各種類型的界面。雖然這些MD和AGF在原子尺度上對(duì)界面聲子輸運(yùn)的詳細(xì)機(jī)制的理解有了顯著的進(jìn)步，但是它們對(duì)模擬更小尺度上的能力有限，例如距離界面幾微米范圍內(nèi)的聲子-界面和聲子-聲子散射的聯(lián)合效應(yīng)。因此揭示微觀尺度上聲子-界面和聲子-聲子散射的復(fù)雜相互作用是非常重要的。
02
成果掠影
近期，美國(guó)匹茲堡大學(xué)Sangyeop Lee教授團(tuán)隊(duì)研究了硅鍺界面聲子-界面散射和硅鍺引線聲子-聲子散射對(duì)界面總熱阻的綜合影響。
利用動(dòng)力學(xué)蒙特卡羅(MC)技術(shù)求解了半無限長(zhǎng)Si和Ge引線界面上聲子輸運(yùn)的穩(wěn)態(tài)Peerls - Boltzmann輸運(yùn)方程。此外，該團(tuán)隊(duì)計(jì)算了聲子-聲子散射產(chǎn)生的局部熵，并定量分析了非平衡聲子在界面附近散射產(chǎn)生的熱阻。通過使用Peerls - Boltzmann輸運(yùn)方程表明，非平衡聲子在Si-Ge界面附近的聲子-聲子散射產(chǎn)生的阻力遠(yuǎn)大于界面散射直接引起的阻力。
根據(jù)玻爾茲曼H定理，聲子非平衡分布導(dǎo)致了聲子散射時(shí)產(chǎn)生顯著的熵和熱阻。用聲子色散、態(tài)密度和群速度的不匹配解釋了鍺中非平衡聲子的物理起源，為預(yù)測(cè)非平衡聲子對(duì)界面熱阻的影響提供指導(dǎo)。
展開 當(dāng)前，在芯片封裝的CAE熱流計(jì)算中，主要是計(jì)算了芯片封裝放置于JEDEC（美國(guó)聯(lián)合電子設(shè)備工程協(xié)會(huì)）標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱內(nèi)自然冷卻、強(qiáng)迫對(duì)流情況下的熱阻數(shù)值。芯片封裝內(nèi)的銅箔布線和過孔，是芯片熱流最重要的傳熱路徑，因此在對(duì)芯片進(jìn)行詳細(xì)的熱流計(jì)算時(shí)，務(wù)必導(dǎo)入其布線過孔信息，以提高熱仿真計(jì)算的精度。
封裝的布線分布及精確的導(dǎo)熱率云圖
芯片封裝熱流計(jì)算常見的幾種熱阻分類如下：
芯片封裝的Rja熱阻，表示芯片的結(jié)點(diǎn)Junction與外界空氣的熱阻，單位為℃/W，一般由芯片制造商提供。Rja熱阻數(shù)值的大小，通常被用來判斷芯片散熱性能的好壞。下圖表示某個(gè)芯片的Rja熱阻數(shù)值（包括自然冷卻和強(qiáng)迫風(fēng)冷）。
某芯片封裝的Rja數(shù)值
Rja熱阻通常包括兩種，一種為將芯片放置于JEDEC標(biāo)準(zhǔn)的密閉測(cè)試機(jī)箱中，芯片通過自然冷卻進(jìn)行散熱，即外側(cè)風(fēng)速為0，計(jì)算芯片封裝的Rja；另一種為將芯片放置于JEDEC標(biāo)準(zhǔn)的風(fēng)洞中，通過外界的強(qiáng)迫風(fēng)冷對(duì)芯片進(jìn)行散熱，需要計(jì)算不同風(fēng)速下的芯片Rja熱阻，其中風(fēng)洞垂直距離h應(yīng)該大于測(cè)試電路板流向長(zhǎng)度L的2倍，即h>2L。
封裝Rja熱阻（自然冷卻）模型示意圖
封裝Rja熱阻（強(qiáng)迫風(fēng)冷）模型示意圖
芯片Rja熱阻的計(jì)算公式如下所示：
Rja=（Tj-Ta）/P
Rja表示芯片結(jié)點(diǎn)Junction至環(huán)境空氣的熱阻，℃/W；
Tj表示芯片Die的最高溫度，℃；
Ta表示環(huán)境的空氣溫度，℃；
P表示芯片Die的熱耗，W；Tj、Ta測(cè)量點(diǎn)示意圖如下圖所示。
展開 
熱阻分析的相關(guān)專題、標(biāo)簽、搜索
熱阻分析的最新內(nèi)容
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
準(zhǔn)確測(cè)量和分析熱阻等熱特性參數(shù)，是優(yōu)化熱管理、確保產(chǎn)品質(zhì)量與性能的關(guān)鍵。T3ster 熱阻測(cè)試儀作為行業(yè)內(nèi)的先進(jìn)設(shè)備，為熱特性測(cè)試帶來了革命性的解決方案。
一、T3ster 熱阻測(cè)試儀簡(jiǎn)介
T3ster 熱阻測(cè)試儀由專業(yè)的半導(dǎo)體測(cè)試設(shè)備制造商研發(fā)，是一款專注于半導(dǎo)體器件封裝熱特性測(cè)試的精密儀器。
為了有效進(jìn)行散熱設(shè)計(jì)和性能檢測(cè)，必須精確測(cè)量器件有源區(qū)溫度變化并分析熱阻構(gòu)成分布，這對(duì)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。
為了有效進(jìn)行散熱設(shè)計(jì)和性能檢測(cè)，必須精確測(cè)量器件有源區(qū)溫度變化并分析熱阻構(gòu)成分布，這對(duì)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。
SimcenterT3Ster設(shè)備提供了非破壞性的熱測(cè)試方法，其原理為：
1)首先通過改變電子器件的功率輸入；
2)通過測(cè)試設(shè)備TSP(TemperatureSensorParameter熱相關(guān)參數(shù))測(cè)試出電子器件的瞬態(tài)溫度變化曲線；
3)對(duì)溫度變化曲線進(jìn)行數(shù)值處理，抽取出結(jié)構(gòu)函數(shù)；
4)從結(jié)構(gòu)函數(shù)中自動(dòng)分析出熱阻和熱容等熱屬性參數(shù)；
關(guān)鍵詞：T3ster,Micred,
首先我個(gè)人認(rèn)為Simcenter的熱仿真軟件如果有了EFD就可以不要其他的了，因?yàn)閄T和Flotherm有的功能他都有，沒有的他也有，只是EFD更耗費(fèi)電腦資源，
首先我畫了個(gè)模型，從上到下依次為芯片、PCB、TIM、散熱器
模擬條件
50℃環(huán)溫，穩(wěn)態(tài)，芯片power=1w，Rjc=5℃/W、Rjb=5℃/W ，PCB厚1.6mm
來源 | Materials Today Physics
01
背景介紹
隨著科技的飛速發(fā)展，電子器件逐漸朝著微型化、集成化的方向發(fā)展，因此給電子器件帶來了高的功率密度，高功率密度導(dǎo)致了器件發(fā)熱嚴(yán)重，如果不采取有效的手段可能會(huì)導(dǎo)致熱失控的發(fā)生。因此熱管理材料以及技術(shù)逐漸開始成為人們重點(diǎn)關(guān)注的方向。
熱管理就是一個(gè)能量轉(zhuǎn)換的過程，因此固體材料之間的界面的熱傳遞引起了人們的極大興趣
從對(duì)有陶瓷基板的器件封裝各層材料的熱阻分析可知，底板和陶瓷基板的熱阻較大。減少封裝結(jié)構(gòu)層，取消底板，將陶瓷基板直接與熱沉連接。
功率器件從單個(gè)陶瓷基板封裝到無基板封裝，如芯片與金屬底板(電極板)直接連接封裝、引線框架連接封裝和金屬多功能組件封裝。
下圖填充不同電導(dǎo)率材料的FR-4通孔的熱阻分析結(jié)果表示填充了固態(tài)銅過孔會(huì)導(dǎo)致較低的熱阻，而未填充的過孔會(huì)提供較高的熱阻。填充有導(dǎo)電環(huán)氧樹脂的過孔的性能僅比未填充的過孔好。
圖 1 低陽(yáng)光反射率與高陽(yáng)光反射率輻射制冷材料傳熱模型分析。熱阻R=L（厚度）/λ（導(dǎo)熱率）。
