热阻的定义

热阻是用来量化热传递难易程度的参数。任意两点之间的温差ΔT，与通过它们的单位时间热流量P之比，即为热阻Rth。热阻越大，热量越不易传导；热阻越小，热量传导越高效。

符号与标准

在半导体领域，热阻常用的表示为 θ（Theta）或 Rth。行业标准对表示形式有不同习惯：某些场景用 θXX、RθXX（无法使用希腊字母时则写成 Theta-XX）来指示两点之间的热阻；也有统一使用 Rth 的做法。单位通常为 K/W 或 °C/W。虽然开尔文与摄氏度在绝对温度上存在差，但在热阻的应用上，两者作为温差的单位是等效的VSport。

热阻与热能转换的等效关系（热阻定律）

热传导与电传导有类比关系，可以将热传导看作电路中的阻抗。温差 ΔT 相当于电压差，热流量 P 相当于电流，热阻 Rth 相当于电阻。于是有

- ΔT = Rth × P

- 类似地，电压差 ΔV = R × I

这意味着，掌握热阻与热流的关系，就能通过简单的乘法关系估算元件温度的变化。

热传递的三种基本形式

- 热传导：热量在同一物体内部通过分子和晶格的振动传递，伴随热量的传输而非物质的转移。

- 对流（换热）：热量通过流体的流动从高温区向低温区传递，流体的移动使对流成为主导的热传递方式。

- 热辐射：物体表面以电磁波的形式向周围空间辐射热量，即使没有介质也能发生热传递。环境温度的变化不一定直接影响辐射介质，辐射对周围环境的热交换也会存在。

散热路径示例

以印刷电路板（PCB）上安装的集成电路为例，热源来自芯片（Die），热量通过芯片焊球、引线框架、封装和PCB等路径传导，最终通过对流和辐射与空气（TA）进行热交换。热量的分布可用热网络来近似表示，芯片的结温 TJ 通过各段热阻逐步传递到环境温度 TA。设计目标是尽量减小芯片与空气之间的热阻，降低 TJ，从而提升可靠性。

热传导的热阻

热传导的热阻可用下式表示：

Rth = L / (k × A)

其中，A 为传热截面积，L 为传热长度，k 为材料的热导率。也就是说，若要降低传导过程中的热阻，可以：

- 增大传热截面积 A

- 减小传热长度 L

- 选用热导率更高的材料

对流（换热）的热阻

对流的热阻由对流换热系数 h 与传热表面积 A 的乘积决定，表达式为：

Rth = 1 / (h × A)

其中 h 的数值取决于对流类型：

- 自然对流：h 取决于几何形状、表面条件以及温差等，通常随 ΔT 增大而增大，表面积增大也会降低热阻。

- 强制对流（如风扇、泵等驱动的流动）：h 与风速及介质特性相关，增大风速通常显著降低热阻。

- 局部对流的提升往往通过增大发热体的有效表面积来实现。

热辐射的热阻

热辐射的热阻与辐射换热系数和表面积相关，表达式为：

Rth = 1 / (h_rad × A)

辐射换热系数 h_rad 可用下式近似：

h_rad = ε × σ × (T1^2 + T2^2) × (T1 + T2)

其中 ε 为表面的辐射率，σ 为斯特藩-玻尔兹曼常数，T1、T2 为两物体表面的绝对温度。辐射热传递对温差和表面积都非常敏感，因此增大表面积或选择高辐射率材料都能降低辐射热阻。

辐射率与材料表面特性

材料的辐射率在 0 到 1 之间，表面光洁度和涂层会显著影响辐射性能。常见数值范围举例：

- 抛光铝、铂等低辐射率材料约 0.05–0.7

- 氧化铝、氧化铝板等中等辐射率约 0.7–0.8

- 白色无光涂层、某些树脂约 0.79–0.83

- 黑色无光涂层约 0.88–0.92，黑色有光涂层约 0.90

通过选择高辐射率材料并增大表面积，可以有效降低辐射热阻。

降低热阻的综合要点

- 对传导：增大热传导截面积、缩短传热距离、使用高热导率材料。

- 对对流：增大热源暴露表面积、在自然对流条件下增加温差以提高对流效果；在需要时提升风速以增强强制对流。

- 对辐射：增大放热表面积、使用高辐射率材料或涂层，必要时通过表面处理提高 ε 值。

总结

热传递由三种主要形式构成：传导、对流与辐射。它们各自的热阻均可通过相应的公式进行估算与优化。通过增大有效表面积、提升材料热导率、改进对流条件以及提高辐射效率，可以系统性地降低热阻，从而实现更低的芯片结温和更高的设备可靠性。