在電子設(shè)備的散熱設(shè)計(jì)中，熱阻（Thermal Resistance）是一個(gè)至關(guān)重要的物理量，它定量描述了材料或系統(tǒng)對(duì)熱量傳遞的阻礙能力。從本質(zhì)上看，熱阻是熱傳遞路徑上的“阻力標(biāo)尺”，其作用可類比于電路中的電阻——電阻限制電流，熱阻則限制熱流。

定義與公式：

熱阻定義為物體兩端溫度差（ΔT，單位：℃或K）與通過(guò)它的熱功率（P，單位：瓦特，W）的比值，數(shù)學(xué)表達(dá)式為：Rθ = ΔT / P。熱阻越大表示熱越不容易傳導(dǎo)，因此物體溫度就會(huì)越高。

這一公式揭示了熱阻的核心意義：?jiǎn)挝粺峁β氏庐a(chǎn)生的溫差。例如，若某散熱器的熱阻為0.5℃/W，當(dāng)芯片功耗為10W時(shí)，散熱器兩端溫差將達(dá)5℃。

一、熱阻參數(shù)解析

常見(jiàn)熱阻參數(shù)包括：結(jié)到外殼的熱阻（RθJC），結(jié)到環(huán)境熱阻（RθJA），結(jié)到板熱阻（RθJB），外殼到散熱器熱阻（RθCS），結(jié)到頂部熱阻（RθJT）。

圖1：芯片熱阻模型示意圖

結(jié)到外殼的熱阻

RθJC, Junction-to-Case Thermal Resistance

定義：芯片內(nèi)部發(fā)熱結(jié)（Junction）與封裝外殼（Case）之間的熱阻，反映封裝內(nèi)部的導(dǎo)熱能力。

計(jì)算公式：RθJC = (Tj-Tc)/PH

測(cè)試條件：通常在標(biāo)準(zhǔn)冷卻條件（如強(qiáng)制風(fēng)冷）下測(cè)量，外殼需與散熱器緊密接觸。

影響因素：基板材料（陶瓷/塑料/金屬）、TIM（導(dǎo)熱界面材料）性能、芯片與基板的連接工藝（如焊線、倒裝焊）。

典型值：陶瓷封裝（如QFN）可能低至1-5℃/W，塑料封裝（如LQFP）可能高達(dá)10-30℃/W。

結(jié)到環(huán)境熱阻

RθJA, Junction-to-Ambient Thermal Resistance

定義：芯片結(jié)到周圍環(huán)境的總熱阻，綜合反映封裝、PCB、散熱器及空氣對(duì)流的散熱能力。

計(jì)算公式：RθJA=(Tj-TA) /PH

測(cè)試條件：分為自然對(duì)流（RθJA-NA）和強(qiáng)制風(fēng)冷（RθJA-FA），結(jié)果差異顯著。

影響因素：PCB銅箔面積、散熱孔設(shè)計(jì)、空氣流動(dòng)速度、封裝高度（如BGA比QFN更易散熱）。

典型值：小封裝（如SOT-23）可能高達(dá)200-500℃/W，大功率封裝（如TO-220）可能低至10-30℃/W。

結(jié)到板熱阻

RθJB, Junction-to-Board Thermal Resistance

定義：芯片結(jié)到PCB板（Board）的熱阻，反映熱量通過(guò)封裝底部傳導(dǎo)至PCB的能力。

計(jì)算公式：RθJB=(Tj-TB )/PH

測(cè)試條件：芯片底部與PCB緊密接觸，測(cè)量點(diǎn)位于PCB下方特定距離（如1mm或2mm）。

影響因素：封裝底部金屬層厚度、PCB銅箔面積和層數(shù)、焊盤(pán)設(shè)計(jì)。

典型值：帶散熱焊盤(pán)的QFN封裝可能低至10-20℃/W，無(wú)焊盤(pán)的SOP封裝可能高達(dá)50℃/W以上。

應(yīng)用場(chǎng)景：優(yōu)化PCB散熱設(shè)計(jì)，尤其適用于無(wú)散熱器的密閉空間設(shè)備。

外殼到散熱器熱阻

RθCS, Case-to-Sink Thermal Resistance

定義：封裝外殼與散熱器之間的熱阻，反映接觸界面的導(dǎo)熱效率。

計(jì)算公式：RθCS=(TC-TCS )/PH

影響因素：接觸壓力、導(dǎo)熱膏/墊的材質(zhì)與厚度、表面粗糙度。

典型值：優(yōu)質(zhì)導(dǎo)熱膏（如硅脂）可將RθCS降至0.1-0.5℃/W，而空氣間隙可能導(dǎo)致RθCS超過(guò)1℃/W。

應(yīng)用場(chǎng)景：指導(dǎo)散熱器安裝工藝，避免因接觸不良導(dǎo)致散熱失效。

結(jié)到頂部熱阻

RθJT, Junction-to-Top Thermal Resistance

定義：芯片結(jié)到封裝頂部的熱阻，反映熱量通過(guò)封裝頂部散出的效率。

計(jì)算公式：RθJT=(Tj-Tt)/PH

應(yīng)用場(chǎng)景：適用于頂部散熱設(shè)計(jì)（如加裝散熱片或風(fēng)扇），常見(jiàn)于高功率LED或功率模塊。

典型值：金屬頂蓋封裝（如TO-247）可能低至5-10℃/W，塑料封裝可能高達(dá)50℃/W以上。

其中：

Tj：結(jié)溫；

TA：環(huán)境溫度；

TB：PCB板溫度；

TC：外殼溫度；

TCS：散熱器溫度；

Tt：封裝頂部溫度；

PH：總功耗。

二、案例分析

我們以公司的一個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和熱仿真結(jié)果作為真實(shí)案例，做一個(gè)熱阻分析。這款DDR4芯片采用9片die堆疊設(shè)計(jì)，采用兩半（4個(gè)die和5個(gè)die）進(jìn)行堆疊。

圖2：DDR4芯片封裝示意圖

下圖是多芯片堆疊的熱仿真結(jié)果。本次仿真采用Ansys Icepak進(jìn)行模擬，旨在評(píng)估BGA321封裝在不同熱路徑下的熱阻性能。仿真條件如下：環(huán)境溫度25℃，功率6.75W，PCB類型2s2p，散熱方式為自然對(duì)流。

圖3：RθJA

在JA環(huán)境中，最高溫在5個(gè)芯片堆疊的芯片上表面，環(huán)境溫度為25℃，功耗為6.75W,計(jì)算可得熱阻JA為17.55℃/W。RθJA反映了芯片到環(huán)境空氣的整體散熱能力，在自然對(duì)流條件下RθJA的典型值為20~100℃/W。該芯片RθJA小于典型值，說(shuō)明熱量更容易散熱到環(huán)境當(dāng)中，芯片有很好的環(huán)境散熱性能。

圖4：RθJB

在JB環(huán)境中，最高溫在5個(gè)芯片堆疊的芯片上表面，環(huán)境溫度為25℃，功耗為6.75W,計(jì)算得熱阻JB為11.61℃/W。RθJB表示芯片通過(guò)封裝底部向PCB傳遞熱量的能力，在自然對(duì)流條件下，RθJB典型值為5~20℃/W。該芯片RθJB在在典型值范圍內(nèi)，說(shuō)明芯片通過(guò)PCB板散熱的能力較好，即芯片熱量向電路板傳遞的效率更高，可以適用于高功率場(chǎng)景。

圖5：RθJC

在JC環(huán)境中，最高溫在5個(gè)芯片堆疊的芯片底面，環(huán)境溫度為25℃，功耗為6.75W，計(jì)算得熱阻JC為3.65℃/W。RθJC是芯片到封裝外殼的熱阻，在自然對(duì)流條件下，RθJC典型值為1~10℃/W。該芯片RθJC在典型范圍內(nèi)，說(shuō)明芯片通過(guò)封裝外殼散熱的性能較好，封裝導(dǎo)熱性好，便于安裝散熱器和導(dǎo)熱墊。

三、熱性能優(yōu)化建議

如需進(jìn)一步降低結(jié)溫，優(yōu)化散熱路徑，下列方法可供參考：

通過(guò)改進(jìn)PCB設(shè)計(jì)，例如使用高導(dǎo)熱材料或者增加散熱層。也可以通過(guò)提高PCB覆銅率來(lái)提高PCB面熱導(dǎo)率，如提高覆銅率至80%，PCB面內(nèi)熱導(dǎo)率可以提升至150W/m*K，預(yù)計(jì)可以降溫6℃~8℃。

優(yōu)化塑封料：隨著塑封料熱導(dǎo)率的增加，DDR 模組的最高溫度會(huì)逐漸降低。當(dāng)前塑封料熱導(dǎo)率較低，為1W/m*K，根據(jù)傅里葉熱傳導(dǎo)定律，計(jì)算出當(dāng)前塑封料熱阻為4.8℃/W，占系統(tǒng)總熱阻的27%?？梢試L試將塑封料熱導(dǎo)率提升至5W/m*K，預(yù)計(jì)結(jié)溫可以降級(jí)5℃左右。

優(yōu)化散熱路徑。當(dāng)前RθJC為3.65℃/W，說(shuō)明封裝頂部是高效散熱路徑?？梢蕴砑禹敳可崞?，或者采用高導(dǎo)熱界面材料，來(lái)進(jìn)一步優(yōu)化散熱降低結(jié)溫。

四、結(jié)論

在電子散熱設(shè)計(jì)中，熱阻是衡量芯片散熱性能的核心指標(biāo)，直接影響設(shè)備的可靠性與壽命。通過(guò)對(duì) RθJA（結(jié)到環(huán)境）、RθJB（結(jié)到板）、RθJC（結(jié)到外殼）等關(guān)鍵參數(shù)的解析，我們可以精準(zhǔn)評(píng)估芯片的散熱路徑效率，并針對(duì)性地優(yōu)化設(shè)計(jì)。較低 RθJA 表明芯片整體散熱性能優(yōu)異，熱量能高效傳遞至環(huán)境；較低 RθJB 反映 PCB 導(dǎo)熱能力強(qiáng)，適合依賴電路板散熱的場(chǎng)景；較低 RθJC 則說(shuō)明封裝內(nèi)部導(dǎo)熱路徑高效，便于外接散熱器提升散熱能力。

通過(guò)優(yōu)化 PCB 設(shè)計(jì)（如增加覆銅率、使用高導(dǎo)熱材料）、改進(jìn)封裝工藝（如提升塑封料導(dǎo)熱率）以及增強(qiáng)散熱路徑（如加裝散熱器），可顯著降低芯片結(jié)溫，確保其在高溫、高負(fù)載下的穩(wěn)定運(yùn)行。精準(zhǔn)的熱阻分析與優(yōu)化，是提升電子設(shè)備性能與可靠性的關(guān)鍵一步。