目录
热设计
电子元器件均有正常工作的最大温度限值，以半导体芯片为例，即结点（接合部）温度的绝对最大额定值Tjmax。超过此温度，会导致器件损坏，甚至引起冒烟、起火等安全问题。
即使无安全和可靠性问题，从用户体验的角度，温度过高也影响用户的使用感受，特别是对于用户直接接触的产品，如手机、手表、电脑等。
热设计即采取降低损耗、和散热等措施，要保证电子元器件的温度不能超过此最大温度限值，半导体芯片即不能超过最大结温Tjmax（芯片的规格书会提供此数据）。同时让温度尽量均匀，尤其是外壳等用户直接接触的地方，以提升用户体验。
对于整机的热设计，需要多部门、多人员合作，对于没有专门热设计岗位的公司，一般以硬件为主导。下图列出了每个部分的设计人员和热设计相关的工作，。
三种热传递形式及其热阻
热传递主要有三种形式：传导（Conduction）、对流（Convection）和辐射（Radiation）。
热传导
由热能引起的分子运动被传播到相邻分子。常指固体和固体之间的热传递。
传导中的热阻如下图和公式所示，由公式可知，热阻和长度成正比，和截面积、热导率成反比。
常见材料的热导率见下表，热导率也和温度和压强相关，详见Wikipedia： List of thermal conductivities ，对于电子产品的工作温度-40~150℃，粗略仿真和计算可不考虑此影响。
静止空气的导热率很差，在热传导路径上，如果两个固体之间有空隙有空气，则需要加导热材料如导热硅胶垫、导热脂等，以便填充空隙，排出空气。
屏蔽罩的材料有马口铁、不锈钢和洋白铜。不锈钢如304 316热导率为16.2W/(mK) 1), 洋白铜 C7521的热导率为32W/(mK) 2)。马口铁的热导率则一般介于不锈钢和洋白铜之间。
| 名称 | 热导率 W/(mK) | 名称 | 热导率 W/(mK) |
| AlSiC(volfracSiC-63%) | 200 | Inconel | 15 |
| AlSiC(volfracSiC-68%) | 220 | Invar(Ni36) | 10.15 |
| Alumina(94%) | 18 | Iron(Pure) | 80 |
| Alumina(96%) | 25 | Magnesium(Pure) | 150 |
| Alumina(Typical) | 16 | Molybdenum(Pure) | 138 |
| Aluminum(Anodized) | 201 | Nickel(Pure) | 59 |
| Aluminum(Pure) | 201 | Nylon-6(Typical) | 0.27 |
| Aluminum Beryllium AlB eMet AM162 | 210 | Nylon-66(Typical) | 0.26 |
| Aluminum Nitride | 170 | Platinum(Pure) | 69 |
| Aluminum-5052 | 137 | Plexiglass(Typical) | 0.2 |
| Aluminum-6061 | 180 | Polycarbonate(Typical) | 0.2 |
| Beryllium Oxide | 240 | Polyimide(Typical) | 0.19 |
| Brass(Naval) | 110 | Polyisoprene(Hard) | 0.16 |
| Bronze(Manganese) | 53 | Polyisoprene(Natural) | 0.13 |
| BT | 0.2 | Polystyrene(Typical) | 0.13 |
| Copper(Aluminized) | 83 | PTFE(Typical) | 0.25 |
| Copper(Pure) | 385 | Silicon(Pure) | 117.50 |
| Diamond(Synthetic) | 2000 | Silver(Pure) | 419 |
| Duraluminum(Strongalloy) | 180 | Steel(Mild) | 63 |
| Epoxy Overmold(Typical) | 0.68 | Steel Stainless-302(Cr18/Ni8) | 16.3 |
| Epoxy Resin(Typical) | 0.2 | Titanium(Pure) | 21 |
| FR4 | 0.3 | Tungsten(Pure) | 163.3 |
| Gallium Arsenide | 48.39 | Tungsten Copper(80/20) | 180 |
| Glass(Typical) | 1.05 | Tungsten Copper(85/15) | 167 |
| Glass LidSeal(Typical) | 0.25 | Tungsten Copper(90/10) | 157 |
| Gold(Pure) | 296 | Zinc(Pure) | 111 |
热传导在线计算器见WolframAlpha：heat conduction。
估算参考：导热系数1W/(m.k)、面积10mmx10mm高度1mm，传导1W的热量，两边的温度差为10°。
热对流
通过气体和液体等流体进行的热转移。常指固体和流体之间、流体和流体之间的热传递。
对流分自然对流和强制对流，自然对流指仅由流体的温差产生的浮力驱动的流体运动，强制对流指由风扇和泵体等外力驱动的流体运动。
对流中的热阻公式如下，热阻和系数C（如垂直放置大于水平放置）、温差、表面积成反比，和长度成正比。
常用的热对流传热系数如下表，强迫对流的散热远好于自然对流。
| 流体 | 流动起因 | 对流换热系数（W/m2K） | |
| 范围 | 典型值 | ||
| 空气 | 自然对流 | 3~12 | 5 |
| 空气 | 强迫对流 | 10~100 | 50 |
| 水 | 自然对流 | 200~1000 | 600 |
| 水 | 强迫对流 | 1000~15000 | 8000 |
热对流在线计算器见WolframAlpha：Newton’s Law of Cooling
热辐射
通过电磁波释放热能。任何高于绝对0度的物体，均会辐射能量。
热辐射具有以下3个特点:
- 热辐射不依赖物体的接触而进行热量传递。并且热辐射是以电磁波的方式传输，所以热量的传递也不需要任何空间媒介，可以在真空中进行。
- 辐射换热过程伴随着能量形式的二次转化，即物体的部分内能转化为电磁波能发射出去，当此电磁波投射至另一物体表面而被吸收时，电磁波能又转化为内能。
- 一切物体只要其温度T>0K，都会不断地发射热射线。当物体间有温差时，高温物体辐射给低温物体的能量大于低温物体辐射给高温物体的能量,因此总的结果是高温物体把能量传递给低温物体。
通常把波长0.1~100um范围的电磁波称为热射线，其中包括了可见光、部分紫外线和红外线。工程上所遇到的温度范围一般在2000K以下，热辐射的大部分能量位于红外线区段的0.76~20um，在可见光波段内，热辐射能量比重并不大。太阳辐射的主要能量集中在0.2~2um的波长范围，其中可见光区段占有很大比重。
温度越高，热辐射越强，在室温，自然对流的情况下，就必须要考虑热辐射对散热的影响了。
辐射中的热阻公式如下，热阻和辐射系数、辐射物体温度Ta、环境温度T∞、表面积成反比。
常用表面发射率如下表：
| 名称 | 发射率 | 名称 | 发射率 |
| Aluminum Paint | 0.35 | Non-Metallic Paint | 0.9 |
| Alum. Paint and Lacquer | 0.525 | Oxidized Nickel | 0.41 |
| Aluminium Hard Anodized | 0.8 | Oxidized Sheet Steel | 0.8 |
| Aluminium Soft Anodized | 0.76 | Polished Brass | 0.028 |
| Anodized Aluminium | 0.8 | Polished Copper | 0.04 |
| Asbestos | 0.1 | Polished Gold | 0.01 |
| Bright Shellac | 0.82 | Polished Nickel | 0.045 |
| Cast Machine CutIron | 0.44 | Polished Plate Aluminum | 0.038 |
| Cast Polished Iron | 0.21 | Polished Plate Platinum | 0.054 |
| Ceramic | 0.9 | Polished Sheet Steel | 0.08 |
| Commercial Aluminum | 0.09 | Polished Silver | 0.022 |
| Dull Shellac | 0.9 | Red Lead Primer | 0.93 |
| Emeriediron | 0.242 | Rough Plate Aluminum | 0.06 |
| Enamels and Lacquer | 0.8 | Rusted | 0.65 |
| Enamels and Lacquer | 0.8 | Soft Rubber | 0.86 |
| FR4 | 0.9 | Typical Ceramic Package | 0.9 |
| Ground BrightIron | 0.242 | Typical Fan Surface | 0.9 |
| Hard Rubber | 0.95 | Typical Plastic Package | 0.9 |
| Infrared Opaque Plastic | 0.95 | Typical Oil Paint | 0.92 |
| Lightly Tarnished Copper | 0.037 | Unpolished Gold | 0.47 |
| MildSteel | 0.2 |
热辐射在线计算器见WolframAlpha：thermal radiation
估算参考下表：
| 摄氏温度 ℃ | 开尔文温度 K | 热辐射能量Q mW/cm2 |
| 0 | 273.15 | 31.56 |
| 10 | 283.15 | 36.45 |
| 20 | 293.15 | 41.87 |
| 30 | 303.15 | 47.89 |
| 40 | 313.15 | 54.52 |
| 50 | 323.15 | 61.83 |
| 60 | 333.15 | 69.85 |
| 70 | 343.15 | 78.62 |
| 80 | 353.15 | 88.19 |
| 90 | 363.15 | 98.61 |
| 100 | 373.15 | 109.93 |
| 110 | 383.15 | 122.20 |
| 120 | 393.15 | 135.46 |
| 130 | 403.15 | 149.78 |
| 140 | 413.15 | 165.20 |
| 150 | 423.15 | 181.79 |
| 备注：黑体辐射，辐射系数1 | ||
散热路径
产生的热量通过传导、对流和辐射的方式经由各种路径逸出到大气中。以安装在印刷电路板上的IC为例，散热路径如下图。
用热阻表示如下，所谓的“热设计”，就是努力减少各处的热阻，即减少从芯片到大气的散热路径的热阻， 最终TJ降低并且可靠性提高。：
冷却方法的选择
按照《GJB/Z27-92电子设备可靠性热设计手册》的规定(如下图)，根据可接受的温升的要求和计算出的热流密度，得出可接受的散热方法3)。
大部分热设计适用于上面这个图表，因为基本上散热都是通过面散热。但对于密封设备，则应该用体积功率密度来估算，热功率密度=热量/体积。
常用热阻、结温估算
常用热阻见下表和下图：
- θJA和ΨJT是实际安装在JEDEC电路板上时的数据。
- θJC-TOP和θJC-BOT根据JESD51-14（TDI法）标准测试。
估算IC的结温不能用θJA，而要用ΨJT，θJA在不同的条件下波动大，而相对来说ΨJT波动较小。
θ或者R通常指热阻（“thermal resistance），其假设所有的热量均通过某一面传导（如θJC-TOP指所有热量均流过芯片封装的TOP面）；Ψ则为热参数，其热量在各方向均有，如除了top外，bottom、side均有。对于用实际测试来估算结温来说，Ψ更合适4)。
θJA和ΨJT具体差异详见如下：
TJ的估算示例见ROHM：TJ的估算，使用ΨJT的计算示例。另一个例子见Heat Sinks: A Step-by-Step Guide to Getting the Heat Out of Your Design
| 符号 | 定义 | 用途 | 计算公式 |
|---|---|---|---|
| θJA | 结点与周围环境间的热阻。 | 形状不同的封装之间的散热性能比较。 一般不用于估算实际的结温，也不用于仿真。 | θJA = (TJ – TA) / P |
| ΨJT | 表示相对于器件整体的功耗P的、 结点与封装上表面中心之间的温度差的热特性参数。 | 估算在实际应用产品（实际散热环境）中的结温。 | ΨJT = (TJ – TT) / P |
| θJC-TOP | 结点与封装上表面之间的热阻。 散热路径仅在封装的上表面，其他位置均为隔热状态。 | “用于热传导、热流体仿真等。 也适用于热阻网络法。” | θJC-TOP = (TJ – TC-TOP) / P |
| θJC-BOT | 结点与封装下表面之间的热阻。 散热路径仅在封装的下表面，其他位置均为隔热状态。 | “用于热传导、热流体仿真等。 也适用于热阻网络法。” | θJC-BOT = (TJ – TC-BOT) / P |
注意事项
铜箔厚度的影响
- 电路板层数越多，热阻受铜箔厚度的影响越大5)。
- 铜箔厚度越大，热阻越小；
- 层数越多，热阻越小。
电路板层数与热阻
- 对于电路板层数与热阻的关系而言，层数越多，热阻越低6)。
- 通孔可以有效降低热阻，而且设置通孔比增加电路板层数更有效。
过孔的影响
过孔要靠近发热源
将过孔（Via）设置在尽可能靠近发热源的位置，降低热阻的效果最好9)。一般热过孔直接放置在器件的地焊盘上，比如中间的地PAD。
如果将过孔设置在周边其他位置而不是发热源的正下方，将会使散热路径中多出横向（水平）路径，从而导致热阻上升。
安装位置的影响
电路板方向的影响
手动焊接时的注意要点
在手动焊接的情况下，焊料可能无法充分覆盖尤其是有一定面积的封装背面的裸露焊盘，导致焊料润湿性不足，最终使得热阻上升12)。如下图：
在线工具
PCB Temperature Calculator：连安装到印刷电路板（PCB）上外露焊盘器件的结温上升估算，其中还可包括散热片。
Heat Sink Thermal Resistance Calculator：散热器热阻计算
Heat Sink Size Calculator：散热器尺寸计算
Flat Plate Heat Sink Calculator：平板散热器计算器
散热器件及材料
Top 3 mistakes made when selecting a heat sink
一文了解导热材料的种类、优缺点及选型（用于降低两个固体之间的接触热阻）
测试
热阻涉及的因数很多，为了统一，JEDEC制定了相应的标准，具体参考ROHM：JEDEC标准及热阻测量环境和电路板。
按照不同的标准测试得到热阻，差异可能很大，选用热阻时，需要根据实际的情况，选择相应的标准。具体参考ROHM：热阻实际的数据示例
测量电子元器件表面温度的方法有如下两种：
- 使用热电偶的接触式测量。可以测量非表面的温度，只要能粘上探头即可，如在屏蔽罩内芯片的温度；测试多个点则需要粘多个探头，另测试需要等待一段时间，速度较慢。
- 使用辐射温度计或测温仪等测量物体表面辐射出来的能量。只能测量表面的温度，不同辐射系数的物体，需要调整测试仪器的辐射系数，温度测试才准确；但热成像仪（类似相机）可以同时测量整个面内多点的温度，测试无需等待、速度快。
热电偶
热电偶种类（IEC标准热电偶）有B、R、S、N、K、E、J、T、C型等。每种热电偶都都其可测量的温度范围和特性特点。下表中列出了常用的K型和T型热电偶的特点。
| IEC代码 | 涂层颜色 | 构成材料 | 等级 | 温度范围 （℃） | 容差（℃） | |
| ＋极 | －极 | |||||
| K型 | 绿色 | 镍铬合金 | 镍铝合金 | 1 | －40～＋375 | ±1.5 |
| 热导率 | 热导率 | 2 | －40～＋333 | ±2.5 | ||
| （～19W/mk） | （～30W/mk） | 3 | －164～＋40 | ±2.5 | ||
| T型 | 棕色 | 铜 | 铜镍合金 | 1 | －40～＋125 | ±0.5 |
| 热导率 | 热导率 | 2 | －40～＋133 | ±1.0 | ||
| （～385W/mk） | （～19W/mk） | 3 | －67～＋40 | ±1.0 | ||
热电偶测量的详细说明见热电偶测量基本指南-ti.pdf
热电偶的固定方法见下表，物料实物见下图：
| 固定方法 | 优点 | 缺点 |
|---|---|---|
| 聚酰亚胺（PI）胶带 （高温胶带） | “热电偶的测量端直接接触PKG表面 易于固定、易于拆卸” | “可能剥落或不稳胶带本身的热导率低 （约为金属的1/1000）， 会妨碍与大气的对流。” |
| 环氧树脂粘结剂 | “剥落的可能性较低（取决于耐温性） 固定面积小 JEDEC推荐” | “粘结剂流入热电偶和PKG之间 固定需要时间” |
热电偶导线的处理也会影响测量结果。导线需要沿着封装本体敷设到PCB。这种走线方法具有“减少导线散热带来的热电偶连接处的温降”的效果。
热电偶的安装位置应在封装顶部中心，位置不同，测试会有差异，如下图。
热电偶测量端的处理见下图，推荐右边的处理：
红外热像仪、红外测温仪
热电偶是接触式的测试方法，热电偶需要粘在测试位置，而红外热像仪、红外测温仪（基于热辐射原理）则是非接触式的，使用和照相机类似。
红外热像仪是面的测试，即在一个面上测试多个点，数量依据分辨率确定。而红外测温仪是点的测试，测试面积内的平均温度（面积的大小随红外测温仪和被测体之间的距离而变化，有一个最小面积，一般在直径2cm左右，对于小型化的电子器件来说，这个面积略大）。红外热像仪相对红外测温仪来说更准确更方便，但价钱也更贵。
不同物体的发射率相差很大（如塑料封装的芯片和金属屏蔽罩），测量时特别注意测量仪器内设定的发射率是否和物体的一致，否则测试结果偏差大。
红外热像仪、红外测温仪产品介绍链接：FLUKE：红外热像仪、FLUKE：红外测温仪
原理详细介绍见链接：德图：红外热像仪的原理
评论