热阻计算器

热阻是评估电子封装散热性能的关键参数。

📚 热阻基础

热阻定义

热阻表示温度差与热功率的比值：

R_th = ΔT / Q = (T_j - T_a) / P

其中：

• R_th - 热阻 (K/W 或 °C/W)
• ΔT - 温差 (K 或 °C)
• Q - 热功率 (W)
• T_j - 结温 (°C)
• T_a - 环境温度 (°C)
• P - 功耗 (W)

热阻类型

总热阻 R_ja = R_jc + R_cs + R_sa

┌─────────────────────────────────┐
│  芯片 (Junction)  T_j          │ ← 结温
├─────────────────────────────────┤
│  R_jc (结到外壳)               │
├─────────────────────────────────┤
│  封装外壳 (Case)  T_c          │ ← 壳温
├─────────────────────────────────┤
│  R_cs (外壳到散热器)           │ ← 界面热阻
├─────────────────────────────────┤
│  散热器 (Sink)                 │
├─────────────────────────────────┤
│  R_sa (散热器到环境)           │
├─────────────────────────────────┤
│  环境 (Ambient)  T_a           │ ← 环境温度
└─────────────────────────────────┘

🧮 热阻计算

计算器 1：简单热阻计算

输入参数：

功耗 P:        _____ W
结温 T_j:      _____ °C
环境温度 T_a:  _____ °C

计算：

ΔT = T_j - T_a
R_th = ΔT / P

示例：

输入:
├── 功耗: 10 W
├── 结温: 85 °C
└── 环境温度: 25 °C

计算:
├── ΔT = 85 - 25 = 60 °C
└── R_th = 60 / 10 = 6 °C/W

计算器 2：材料热阻计算

公式：

R = L / (k × A)

其中：

• L - 材料厚度 (m)
• k - 热导率 (W/(m·K))
• A - 面积 (m²)

示例计算：

材料	厚度 (mm)	热导率 (W/m·K)	面积 (mm²)	热阻 (°C/W)
芯片 (Si)	0.5	148	100	0.034
焊料	0.1	57	100	0.018
基板 (FR-4)	1.6	0.3	400	13.3
热界面材料	0.2	3	100	0.67

计算器 3：对流热阻

公式：

R_conv = 1 / (h × A)

其中：

• h - 对流系数 (W/(m²·K))
• A - 散热面积 (m²)

自然对流系数：

表面	h (W/m²·K)
垂直板	5-25
水平板（热面朝上）	5-25
水平板（热面朝下）	2-12
小型元件	10-20

强制对流系数：

情况	h (W/m²·K)
空气（低速）	25-100
空气（高速）	100-500
水（低速）	500-5000
水（高速）	5000-50000

📊 典型热阻值

封装热阻参考

封装类型	R_jc (°C/W)	R_ja (°C/W)
TO-220	1-3	50-70
TO-247	0.5-2	40-60
D2PAK	1-3	40-60
QFN 5×5	5-15	30-50
BGA	2-10	25-40
LGA	1-5	20-35

热界面材料热阻

材料类型	热阻 (°C·cm²/W)
硅脂	0.05-0.2
相变材料	0.1-0.3
导热垫	0.5-2.0
铟箔	0.02-0.05
焊料	0.01-0.03

📐 实例计算

实例 1：功率芯片散热

问题：

• 芯片功耗：15 W
• 最大结温：125 °C
• 环境温度：40 °C
• 封装热阻 R_jc：2 °C/W

计算：

允许温升: ΔT = 125 - 40 = 85 °C
允许总热阻: R_ja = 85 / 15 = 5.67 °C/W
需要散热器热阻: R_sa = R_ja - R_jc = 5.67 - 2 = 3.67 °C/W

结论： 需要热阻小于 3.67 °C/W 的散热器。

实例 2：PCB 散热分析

问题：

• 多个热源：5 个芯片
• 总功耗：25 W
• PCB 尺寸：100 mm × 100 mm
• PCB 热导率（面内）：20 W/(m·K)

计算：

PCB 面内热阻:
├── 等效传导长度: 50 mm
├── 热导率: 20 W/(m·K)
├── 面积: 100 mm × 1.6 mm = 160 mm²
└── R = 0.05 / (20 × 0.00016) = 15.6 °C/W

对流热阻:
├── 对流系数: 10 W/(m²·K)
├── 面积: 100 × 100 mm² = 0.01 m²
└── R = 1 / (10 × 0.01) = 10 °C/W

🔧 热阻优化

降低热阻的方法

措施	目标	效果
使用高导热材料	减小 R_jc	显著
优化热界面	减小 R_cs	中等
增大散热器	减小 R_sa	显著
强制对流	减小 R_sa	显著
热通孔	改善散热路径	中等

热通孔优化

热通孔参数:
├── 直径: 0.3 mm
├── 间距: 1.0 mm
├── 填充: 铜
└── 热阻改善: 20-40%

📖 相关内容

• 网格估算器
• 材料数据库

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提示

热阻计算是热设计的第一步，建议先进行理论计算再进行仿真验证。