热设计的基础流程和基本公式

由于工作的需求，热设计在工程中仿真的占比越来越大，许多同事都转战热分析了，本人也对热分析非常感兴趣所以简单整理了些关于热设计工程师需要掌握的基础知识，希望有帮助，同时也方便自己后期查看，后续也会更新有关热分析的学习总结。

热设计的基本流程：

热量的传递有导热，对流换热和辐射换热三种方式。在终端设备散热过程中，这三种方式都会发生，三种传热方式传递的热量分别由以下公式计算:

其中λ、α、ε分别为导热系数，对流换热系数及表面的发射率，A是换热面积，δ为面间距。

导热：

将导热公式

改为

其中

为热阻

接触热阻的影响因素：

1. 接触表面接触点的数量、形状、大小及分布规律
   

2. 接触表面的几何形状（波纹度和粗糙度）

3. 非接触间隙的平均厚度

4. 间隙中介质种类(真空、液体、气体等）

5. 接触表面的硬度

6. 接触表面的压力大小

7. 接触表面的氧化程度和清洁度

8. 接触材料的导热系数

减小接触热阻的方法:

1. 在接触表面涂一层导热脂（膏）
   

2. 加一薄紫铜片或延展好的高导热系数材料

3. 提高界面间的接触压力（≥200N/cm2）
   

4.加低熔点合金（铟合金）

常温下纯铜的导热系数高达400 W/(m*℃),纯铝的导热系数为236W/(m*℃),水的导热系数为0.6 W/(m*℃）,而空气仅0.025W/(m*℃）.铝的导热系数高且密度低，所以散热器基本都采用铝合金加工，但在一些大功率芯片散中，为了提升散热性能，常采用铝散热器嵌铜块或者铜散热器。

不同材料的导热特性：

接触热阻实例：

对流换热：

对流换热的热量按照牛顿冷却定律计算：

α为对流换热系数，自然对流时换热系数在1～10W/(℃*m2)量级，实际应用时一般不会超过3～5W/(℃*m2)；强制对流时换热系数在10～100W/(℃*m2)量级，实际应用时一般不会超过30W/(℃*m2）。

热辐射：

辐射是通过电磁波来传递能量的过程，热辐射是由于物体的温度高于绝对零度时发出电磁波的过程，两个物体之间通过热辐射传递热量称为辐射换热。在单位时间内物体的单位面积向外辐射的能量，即辐射力为：

物体表面之间的热辐射计算是极为复杂的，其中最简单的两个面积相同且正对着的表面间的辐射换热量计算公式为：

公式中T指的是物体的绝对温度值＝摄氏温度值＋273.15；ε是表面的黑度或发射率，该值取决于物质种类，表面温度和表面状况，与外界条件无关，也与颜色无关。磨光的铝表面的黑度为0.04,氧化的铝表面的黑度为0.3，油漆表面的黑度达到0.8，雪的黑度为0.8。

由于辐射换热不是线性关系，当环境温度升高时，终端的温度与环境的相同温差条件下下会散去更多的热量。

热阻的概念理解：

对导热和对流换热的公式进行变换：

热量传递过程中，温度差是过程的动力，好象电学中的电压，换热量是被传递的量，好像电学中的电流，因而上式中的分母可以用电学中的电阻概念来理解成导热过程的阻力，称为热阻（thermal resistance），单位为℃/W, 其物理意义就是传递1W 的热量需要多少度温差。在热设计中将热阻标记为R或θ。δ/(λA)是导热热阻， 1/αA是对流换热热阻。器件的资料中一般都会提供器件的Rjc和Rja热阻，Rjc是器件的结到壳的导热热阻；Rja是器件的结到壳导热热阻和壳与外界环境的对流换热热阻之和。这些热阻参数可以根据实验测试获得，也可以根据详细的器件内部结构计算得到。根据这些热阻参数和器件的热耗，就可以计算得到器件的结温。