熱阻分析的案例
導熱分析時的接觸熱阻 ￥20
在傳感器設計中，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芯片的響應時間有很大的影響。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于壓力的函數。
下圖中顯示了接觸熱阻跟壓力的關系，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熱脂。
壓力很小時熱阻很大，隨著壓力的增加熱阻逐漸減小，直到到達一個穩定的值。
我們可以通過上面的曲線得到接觸熱阻的值，從而進行傳熱的計算。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，考慮螺栓預緊力為10Mpa時接觸壓力的分布。隨后將鐵板一面設置為100攝氏度，另一面設置為自然對流，對流系數為10w/m^2K, 環境溫度為20℃。
計算結果如下
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 FloEFD雙熱阻模型簡要熱分析
選中雙熱阻模型可以查看結溫
文章來源：飛奔向地球的豬
通過模擬分析揭示微觀尺度聲子對Si-Ge界面熱阻的影響
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，并在熱傳遞中起關鍵作用。但是，由于熱界面周圍的復雜性，如原子結構不匹配，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，在界面熱輸運理論和模擬方面取得了許多進展，主要集中在原子尺度上的界面散射。傳統的聲學失配模型(AMM)和擴散失配模型( DMM)基于兩種組成材料的性質來預測界面聲子散射，沒有考慮局部原子結構和鍵合強度對界面熱輸運的影響，存在一定的缺陷。
近期新的模擬手段，例如原子格林函數(AGF)和分子動力學(MD)模擬，克服了這些缺點，已廣泛應用于各種類型的界面。雖然這些MD和AGF在原子尺度上對界面聲子輸運的詳細機制的理解有了顯著的進步，但是它們對模擬更小尺度上的能力有限，例如距離界面幾微米范圍內的聲子-界面和聲子-聲子散射的聯合效應。因此揭示微觀尺度上聲子-界面和聲子-聲子散射的復雜相互作用是非常重要的。
02
成果掠影
近期，美國匹茲堡大學Sangyeop Lee教授團隊研究了硅鍺界面聲子-界面散射和硅鍺引線聲子-聲子散射對界面總熱阻的綜合影響。
利用動力學蒙特卡羅(MC)技術求解了半無限長Si和Ge引線界面上聲子輸運的穩態Peerls - Boltzmann輸運方程。此外，該團隊計算了聲子-聲子散射產生的局部熵，并定量分析了非平衡聲子在界面附近散射產生的熱阻。通過使用Peerls - Boltzmann輸運方程表明，非平衡聲子在Si-Ge界面附近的聲子-聲子散射產生的阻力遠大于界面散射直接引起的阻力。
根據玻爾茲曼H定理，聲子非平衡分布導致了聲子散射時產生顯著的熵和熱阻。用聲子色散、態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，為預測非平衡聲子對界面熱阻的影響提供指導。
展開 FloEFD熱仿真分析之模型簡化（三）-接觸熱阻
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，熱量透過這些間隙只能通過熱傳導的形式。空氣導熱系數是鋁的萬分之一左右，因此，剛性面接觸不嚴所致的接觸熱阻是熱量導出的關鍵控制。當有大的熱流通過這些接觸面時，會在接觸面的兩側形成較大的溫度梯度。
接觸熱阻的影響因素
l 接觸表面的數量、形狀、大小及分布規律
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 接觸材料的導熱系數
改善接觸熱阻措施
電子設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，如果已經指定了要進行固體導熱計算，則可以再固體與固體或固體與流體接觸面設置接觸熱阻，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定。
文章作者：白堤，碩士，有限元設計圈主編，就職于國內某知名企業，主要從事熱設計仿真工作。大佬們都還在努力，更何況自己還只是個學習者。希望通過微信公眾號拋磚引玉，結交更多志同道合的朋友。仿真之路漫漫其修遠矣，我將上下而求索。
展開 
熱仿真在芯片研發中的作用及熱阻講解—為什么任正非說芯片熱分析是尖端技術？
當前，在芯片封裝的CAE熱流計算中，主要是計算了芯片封裝放置于JEDEC（美國聯合電子設備工程協會）標準機箱內自然冷卻、強迫對流情況下的熱阻數值。芯片封裝內的銅箔布線和過孔，是芯片熱流最重要的傳熱路徑，因此在對芯片進行詳細的熱流計算時，務必導入其布線過孔信息，以提高熱仿真計算的精度。
封裝的布線分布及精確的導熱率云圖
芯片封裝熱流計算常見的幾種熱阻分類如下：
芯片封裝的Rja熱阻，表示芯片的結點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。下圖表示某個芯片的Rja熱阻數值（包括自然冷卻和強迫風冷）。
某芯片封裝的Rja數值
Rja熱阻通常包括兩種，一種為將芯片放置于JEDEC標準的密閉測試機箱中，芯片通過自然冷卻進行散熱，即外側風速為0，計算芯片封裝的Rja；另一種為將芯片放置于JEDEC標準的風洞中，通過外界的強迫風冷對芯片進行散熱，需要計算不同風速下的芯片Rja熱阻，其中風洞垂直距離h應該大于測試電路板流向長度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（強迫風冷）模型示意圖
芯片Rja熱阻的計算公式如下所示：
Rja=（Tj-Ta）/P
Rja表示芯片結點Junction至環境空氣的熱阻，℃/W；
Tj表示芯片Die的最高溫度，℃；
Ta表示環境的空氣溫度，℃；
P表示芯片Die的熱耗，W；Tj、Ta測量點示意圖如下圖所示。
展開 精準洞察熱性能：T3Ster 熱阻測試儀的強大優勢
通過這種高重復性的方法，方便用戶對各種器件的結殼熱阻進行準確比較。并且，該方法同樣適用于熱界面材料（TIMs）的熱特性表征 。
（三）測試范圍廣泛
半導體分立器件：能夠對各種三極管、二極管等半導體分立器件進行熱阻測試，包括常見的半導體閘流管、雙極型晶體管，以及大功率 IGBT、MOSFET、LED/OLED/MicroLED 等器件 。
復雜 IC 及新型結構：可用于各種復雜的 IC 以及 MCM、SIP、SoC 等新型結構的熱特性測試，滿足當前半導體行業不斷發展的多樣化測試需求 。
散熱模組：還可以對各種復雜的散熱模組，如熱管、風扇等進行熱特性測試，助力散熱系統的優化設計 。
（四）結構函數曲線分析，洞察散熱結構
T3ster 獨創的 Structure Function（結構函數）分析法，是其一大核心優勢。通過該方法，能夠深入分析器件熱傳導路徑上每層結構的熱學性能，即熱阻和熱容參數，進而構建出器件等效熱學模型。這一特性使得 T3ster 被譽為熱測試中的 “X 射線”，能夠為器件封裝工藝改進、可靠性試驗、材料熱特性研究以及接觸熱阻分析等提供強大支持 。
（五）測試速度快，產能高
基于先進的 JEDEC ‘Static Method’測試方法（JESD51-1），T3ster 在測試時，啟動時間僅為 1us，測試周期短。能夠在幾分鐘之內快速分析得到關于電子器件全面的熱特性，大大提高了測試效率。以新一代熱瞬態測試儀 T3ster SI 為例，其進一步提升了測試產能和效率。一個標準機架最多可容納 10 個插入單元（Plug in Units），擁有多達 5 個加熱通道和 40 個測量通道，非常適合多核 IC 或者 TTV 芯片的測試。
展開 PCB芯片散熱焊盤如何設計？
空隙增加了熱界面的熱阻。同樣，焊料過多可能會導致板子底部填滿凸起，從而影響板子和散熱器之間的接觸面積。
可以通過兩個方法限制焊錫芯吸量。
一種方法是保持通孔直徑小于0.3毫米。對于較小的通孔，通孔內部的液態焊料的表面張力更好地能夠抵抗重力作用在焊料上。
如果按照上面的指導原則構造通孔結構，將內部通孔直徑保持在0.25mm-0.3mm左右，則可以實現最小的焊料芯吸。
這種方法的缺點是較小的開口會導致較高的整體熱阻。
限制焊錫芯吸的另一種方法涉及使用阻焊層來限制焊錫從PCB頂部到底部外面，稱為底部過孔蓋油塞油，使用阻焊層來防止焊料進入或離開導熱通孔，具體取決于阻焊層所在的板的面（有的蓋不好）。
也可以在頂側通孔帳蓋油，將小面積的阻焊膜放在PCB頂側的熱過孔上方，以防止焊料從板的頂側流入通孔。
下圖左側的小孔帶有完整的LPI阻焊層，可保護通孔。下圖右側的過孔有一個較大破裂的阻焊孔，這是由于LPI阻焊層的液體性質，并且試圖覆蓋太大跨度的孔，從而導致漏錫。
下圖填充不同電導率材料的FR-4通孔的熱阻分析結果表示填充了固態銅過孔會導致較低的熱阻，而未填充的過孔會提供較高的熱阻。填充有導電環氧樹脂的過孔的性能僅比未填充的過孔好。
03
PCB孔直徑和通孔數量影響
通過上一節說明，實心孔越大熱阻就越低，但是我們并不一定做實心鍍銅塞孔那些費錢的活，我們還有其他辦法解決這個問題，就是增加通孔的數量也顯示出相當大的改進。
下圖仿真表示了通孔直徑對應熱阻關系
下一種情況考慮了改變散熱通孔數量的影響，如下圖所示。這些通孔是實心鍍銅，直徑為10mil，中心間距25mil，選擇該尺寸是因為可以使用標準的電鍍技術來填充通孔而無需額外的處理。
展開 探索熱阻測試儀在半導體器件熱管理中的應用與前景
該儀器利用結構函數處理可以分析出熱流路徑上各組成熱阻。接下來我們就重點介紹一下T3Ster熱阻測試儀。
Phase11熱阻測試儀
T3Ster熱阻測試儀
T3Ster是MicReD研發的熱測試儀，運用JEDEC穩態實時測試方法，專業測試分離或集成的雙極型晶體管、MOS晶體管、常見的三極管、LED封裝和半導體閘流管等器件的熱特性。它能測試具有單獨加熱器和溫度傳感器的熱測試芯片，以及PCB和導熱材料的熱特性。T3Ster通過改變器件輸入功率使其產生溫度變化，測試出芯片的瞬態溫度響應曲線，在幾分鐘之內即可分析得到關于該電子器件的全面的熱特性。與基于脈沖方法的熱測試儀不同，T3Ster采用實時測量方法，能快速準確地捕捉溫度瞬態曲線。它可通過在固定電流下測量PN結上的壓降實現PN結溫度隨時間的變化規律。計算機通過接口插件與設備相連并對其進行控制，試驗結果實時顯示，并由軟件進行控制和后處理。結構函數的計算利用NID（Networkidentificationbydeconvolution，反卷積網絡計算）方法，要求采集的試驗數據非常準確且連續，以保證結果準確性。T3Ster測試儀的瞬態數據采集精度高達1μs，可精確捕捉每一個溫度的瞬態變化，保證了分析結果的準確性。其高信噪比可允許精細測量，在測量封裝的結溫時具有較高的精度。
展開 探索熱阻測試儀在半導體器件熱管理中的應用與前景
Phase11適用于三極管、MOSFET、二極管和IGBT等器件的熱阻測試，操作復雜，測量周期長。T3Ster可以測量常見三極管、常見二極管、MOS管和LED等半導體器件的熱阻。該儀器利用結構函數處理可以分析出熱流路徑上各組成熱阻。接下來我們就重點介紹一下T3Ster熱阻測試儀。
Phase11熱阻測試儀
T3Ster熱阻測試儀
T3Ster是MicReD研發的熱測試儀，運用JEDEC穩態實時測試方法，專業測試分離或集成的雙極型晶體管、MOS晶體管、常見的三極管、LED封裝和半導體閘流管等器件的熱特性。它能測試具有單獨加熱器和溫度傳感器的熱測試芯片，以及PCB和導熱材料的熱特性。T3Ster通過改變器件輸入功率使其產生溫度變化，測試出芯片的瞬態溫度響應曲線，在幾分鐘之內即可分析得到關于該電子器件的全面的熱特性。與基于脈沖方法的熱測試儀不同，T3Ster采用實時測量方法，能快速準確地捕捉溫度瞬態曲線。它可通過在固定電流下測量PN結上的壓降實現PN結溫度隨時間的變化規律。計算機通過接口插件與設備相連并對其進行控制，試驗結果實時顯示，并由軟件進行控制和后處理。結構函數的計算利用NID（Networkidentificationbydeconvolution，反卷積網絡計算）方法，要求采集的試驗數據非常準確且連續，以保證結果準確性。T3Ster測試儀的瞬態數據采集精度高達1μs，可精確捕捉每一個溫度的瞬態變化，保證了分析結果的準確性。其高信噪比可允許精細測量，在測量封裝的結溫時具有較高的精度。
展開 關于熱仿真及測試的方法，你知道的有哪些？
針對這些特性，Thermica可方便地設置太陽系內的各種衛星軌道，支持部件機動、多航天器相互指向等復雜姿態，基于光線追蹤法并行計算幾何角系數、軌道外熱流以及熱輻射等，Thermisol基于節點熱阻網絡分析整體的溫度場在軌道不同位置的熱狀態。
高溫輻射熱仿真
不僅低溫環境下存在強烈的熱輻射，常溫環境下高溫部件也會有強烈的熱輻射，比如火箭或飛機等的尾噴管會對其附近的設備等產生高溫熱輻射加熱，汽車的渦輪增壓器和排氣管也會對發動機艙內和底盤的線束、管路產生熱輻射加熱。Taitherm能夠快速分析并直觀展示熱輻射狀況，直接與常用CFD仿真工具耦合進行熱-流仿真，獲得長時間的瞬態熱狀況，用于發現潛在的熱害、設計合理的熱防護方案。
高速氣動熱仿真
對于返回艙、火箭、導彈、飛機等而言，因為其高速運動于大氣中，會產生嚴重的氣動熱效應，不僅涉及到熱，還與高速的空氣流動密不可分。FloEFD能夠根據幾何外形的曲率和壓力梯度等自動細化網格，并采用了先進的湍流修正模型和雙層壁面函數，能夠準確地分析高速氣動的熱狀況。
常溫流動與熱仿真
電機、燈、電池、泵、閥門等的仿真，難度則在于復雜幾何的準確模擬與高效簡化。FloEFD直接嵌入到Catia等主流CAD軟件中，能夠自動識別流體域與固體域、自動劃分笛卡爾網格，能夠對這些幾何形狀復雜的產品的流動與熱狀況進行高效仿真與參數化分析。
電子散熱仿真
芯片、電路板、功率模塊、機箱機柜等設計往往出自于電氣工程師之手，對機械工程師熟知的熱問題并不很擅長，但熱卻是電子設備可靠性的主要影響因素。因此Flotherm通過直接導入EDA和CAD模型，能夠高效建立電子設備的熱模型進行分析，輔助芯片布局和風扇選型等。
展開 報名倒計時 | 2026電力電子技術創新研討會
Saber提供的IGBT/MOSFET高精度建模工具可以快速準確地模擬此類開關器件的靜態和動態特性，實現電熱耦合分析，損耗分析和故障場景模擬，為器件選型，系統性能提升，系統穩定性提升，故障分析提供強大的設計支撐，縮短開發周期，規避風險，節約成本。
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Ansys期盼與您相約西子湖畔，共話技術前沿，暢敘行業未來！
ANSYS 經典熱分析實例
ANSYS熱分析基于能量守恒原理的熱平衡方程，用有限元方法計算物體內部各節點溫度，并導出其他物理參數。運用ANSYS軟件可進行熱傳導、熱對流、熱輻射、相變、熱應力及接觸熱阻等問題的分析求解。
下面我們通過ANSYS經典做一個對流傳熱的實例。
問題描述：如下圖所示，某筒體壁厚50mm，筒體導熱系數取50.0w/(m.℃)，筒體內部存儲有介質，介質溫度150℃；筒體外壁面直接暴漏在外部環境下，假設對流系數為72.0W/(M2.℃),外部環境溫度取20℃。此處假定筒體內壁為恒溫，求筒體沿壁厚方向的溫度分布。
熱阻測試儀在LED照明技術中的應用
SimcenterT3Ster提供無可匹敵的精確度和高重復性的熱阻抗數據，它的多通道配置能夠以最少的測試獲得幾乎所有封裝種類的特性。它提供極其精確的溫度測量（0.01°C，使用二極管傳感器，靈敏度：2mV/°C，假設50mV溫度引起步進電壓的改變），測試啟動時間1微秒。與其他測試系統不同，T3Ster直接測試實際熱阻抗曲線?封裝半導體設備的熱瞬態反應，而不是人為地將單個反應組合。
SimcenterT3Ster設備提供了非破壞性的熱測試方法，其原理為：
1)首先通過改變電子器件的功率輸入；
2)通過測試設備TSP(TemperatureSensorParameter熱相關參數)測試出電子器件的瞬態溫度變化曲線；
3)對溫度變化曲線進行數值處理，抽取出結構函數；
4)從結構函數中自動分析出熱阻和熱容等熱屬性參數；
關鍵詞：T3ster,Micred,功率循環，結溫測試，熱阻測試，結溫熱阻測試，半導體熱特性測試；
參考文獻：
[1] 楊軍偉.半導體器件熱阻測量結構函數法優化及數據處理技術研究[D].北京工業大學,2016.
[2] 王超.基于瞬態溫升技術多通道系統級熱阻測試儀研究與開發[D].北京工業大學,2017.
[3] 張立,汪新剛,崔福利.使用T3Ster對宇航電子元器件內部熱特性的測量[J].空間電子技術,2011,8(02):59-64.
[4] 溫存,林偉瀚,周明,等.模組內部燈條LED真實熱阻模擬測試系統研究與分析[J].電子產品世界,2020,28(12):33-36.
展開 上海交大黃興溢教授、鮑華教授合作《AFM》：高導熱輻射熱制冷絕緣材料
這就對現有的輻射制冷材料提出了新的要求，即，高導熱率（低熱阻）。然而，傳統的輻射制冷材料不僅不具備高導熱率，甚至是具有超低導熱率的隔熱保溫材料。這是因為，為了實現輻射制冷材料的超高的陽光反射率，通常需要構建聚合物-光散射體復合體系，而聚合物與常用的光散射體（如SiO2, BaSO4, CaCO3等球形介電顆粒或孔洞等）的導熱率非常低，除此之外，由于這些光學散射體通常折光率低，具有很強的前向散射以及相干散射，因而導致需要增加材料厚度以實現對陽光的高度反射。由此可見，對于傳統的輻射制冷材料來說，實現高陽光反射率與低熱阻往往是相互制約的（如圖1所示）。
圖 1 低陽光反射率與高陽光反射率輻射制冷材料傳熱模型分析。熱阻R=L（厚度）/λ（導熱率）。
有鑒于此，上海交通大學電氣材料與絕緣研究中心黃興溢教授與密西根學院的鮑華教授緊密合作，開發了一種具有高導熱率的輻射制冷絕緣材料，該材料不僅具有高達98%的陽光反射率，可以實現全天輻射制冷效果，且該材料的高導熱特性使其可用于戶外設備的高效熱管理，有效降低器件、裝備的工作溫度。相關工作以“Thermo-Optically Designed Scalable Photonic Films with High Thermal Conductivity for Subambient and Above-Ambient Radiative Cooling”發表在《Advanced Functional Materials》。
通過對多種光散射體的理論計算以及實驗，該團隊發現h-BN滿足制備高導熱輻射制冷材料的三個重要特性：
1.
展開 熱分析——基礎知識
ANSYS熱分析基于能量守恒原理的熱平衡方程，用有限元方法計算物體內部各節點溫度，并導出其他物理參數。運用ANSYS軟件可進行熱傳導、熱對流、熱輻射、相變、熱應力及接觸熱阻等問題的分析求解。
2 熱分析符號及單位
3 傳熱學經典理論
熱分析遵循熱力學第一定律，即能量守恒定律:對于一個封閉的系統（沒有質量的流入或流出〕
Q-W=△U + △KE + △PE
式中:Q——熱量;W——作功;
△U ——系統內能; △U
△KE ——系統動能；
△PE ——系統勢能；
對于大多數工程傳熱問題：△KE＝ △PE＝ 0 ；
通常考慮沒有做功：W = 0，則：Q = △U ；
對于穩態熱分析：Q = △U = 0，即流入系統的熱量等于流出的熱量；
對于瞬態熱分析：q =dU/dt，即流入或流出的熱傳遞速率 q 等于系統內能的變化。
4 三種基本傳熱方式
熱傳遞（或稱傳熱）是物理學上的一個物理現象，是指由于溫度差引起的熱能傳遞現象。熱傳遞中用熱量量度物體內能的改變。熱傳遞主要存在三種基本形式：熱傳導、熱輻射和熱對流。只要在物體內部或物體間有溫度差存在，熱能就必然以以上三種方式中的一種或多種從高溫到低溫處傳遞。
熱傳導（Thermal Conduction）(又稱為導熱)是指當不同物體之間或同一物體內部存在溫度差時，就會通過物體內部分子、原子和電子的微觀振動、位移和相互碰撞而發生能量傳遞現象。不同相態的物質內部導熱的機理不盡相同。氣體內部的導熱主要是其內部分子做不規則熱運動是相互碰撞的結果；非導電固體中，在其晶格結構的平衡位置附近振動，將能量傳遞給相鄰分子，實現導熱；而金屬固體的導熱是憑借自由電子在晶格結構之間的運動完成的。
熱傳導是固體熱傳遞的主要方式。在氣體或液體等流體中，熱的傳導過程往往和對流同時發生。
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