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）。

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，。

热传递主要有三种形式：传导（Conduction）、对流（Convection）和辐射（Radiation）。

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。

热传导在线计算器见WolframAlpha：heat conduction

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。

热对流在线计算器见WolframAlpha：Newton’s Law of Cooling

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。与通过分子传递热量的传导和对流的机理不同，即使在没有物体或流体的真空中也可以传递热量。

物体温度低于1800℃时，有意义的热辐射波长位于0.38~100μm之间，且大部分能量位于红外波段0.76~20μm范围内，在可见光波段内，热辐射能量比重并不大。

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：

热辐射在线计算器见WolframAlpha：thermal radiation

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。：

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¹⁾。

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。

常用热阻见下表和下图：

1. θJA和ΨJT是实际安装在JEDEC电路板上时的数据。
2. 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²⁾。

θJA和ΨJT具体差异详见如下：

1. ROHM：估算TJ时涉及到的θJA和ΨJT －其1
2. ROHM：估算TJ时涉及到的θJA和ΨJT －其2

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

1. 电路板层数越多，热阻受铜箔厚度的影响越大³⁾。
2. 铜箔厚度越大，热阻越小；
3. 层数越多，热阻越小。

1. 对于电路板层数与热阻的关系而言，层数越多，热阻越低⁴⁾。
2. 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。

热过孔能有效的降低器件结温，提高单板厚度方向温度的均匀性，为在 PCB 背面采取其他散热方式提供了可能。热过孔数量越多（传导方向的总面积越大），热阻越小，结温改善越明显。⁵⁾⁶⁾。

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⁷⁾。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。

即使电路板的层数相同，热阻也会因IC的安装位置而异⁸⁾。

如果将IC安装在电路板边缘，会导致有效散热面积大大减少。

在自然空冷环境下，热阻会因电路板是水平还是垂直而异⁹⁾。

当电路板垂直放置时，对流传热会增加，热阻会降低。

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¹⁰⁾。如下图：

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

Top 3 mistakes made when selecting a heat sink

硬十：铜散热器 VS 铝散热器

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）

硬十：热设计基础（中） 散热器和导热介质

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：

1. 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。
2. 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。

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：

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：

ROHM：电子设备中半导体元器件的热设计

Thermal Engineering: Heat Transfer and Mass Transfer