在电子设备的研发与设计中，散热问题一直是影响设备性能和可靠性的关键因素。尤其是随着电子技术的不断发展，电子设备的集成度越来越高，功率密度也越来越大，散热问题变得愈发严峻。在这种背景下，热阻作为衡量材料或系统对热量传递阻碍能力的重要物理量，在电子设备的散热设计中具有至关重要的地位。

热阻的基本概念与公式

热阻（Thermal Resistance）是热传递路径上的 “阻力标尺”，类似于电路中的电阻限制电流，热阻限制热流。其定义为物体两端温度差（ΔT，单位：℃或 K）与通过它的热功率（P，单位：瓦特，W）的比值，数学表达式为：Rθ = ΔT / P。热阻越大，热越不容易传导，物体温度就会越高。例如，若某散热器的热阻为 0.5℃/W，当芯片功耗为 10W 时，散热器两端温差将达 5℃。

常见热阻参数解析

结到外壳的热阻（RθJC）

芯片内部发热结（Junction）与封装外壳（Case）之间的热阻，反映封装内部的导热能力。计算公式为 RθJC = (Tj - Tc) / PH，通常在标准冷却条件（如强制风冷）下测量，外壳需与散热器紧密接触。其影响因素包括基板材料（陶瓷 / 塑料 / 金属）、TIM（导热界面材料）性能、芯片与基板的连接工艺（如焊线、倒装焊）等。典型值方面，陶瓷封装（如 QFN）可能低至 1 - 5℃/W，塑料封装（如 LQFP）可能高达 10 - 30℃/W。

结到环境热阻（RθJA）

芯片结到周围环境的总热阻，综合反映封装、PCB、散热器及空气对流的散热能力。计算公式为 RθJA = (Tj - TA) / PH，测试条件分为自然对流（RθJA - NA）和强制风冷（RθJA - FA），结果差异显著。影响因素有 PCB 铜箔面积、散热孔设计、空气流动速度、封装高度（如 BGA 比 QFN 更易散热）等。小封装（如 SOT - 23）可能高达 200 - 500℃/W，大功率封装（如 TO - 220）可能低至 10 - 30℃/W。

结到板热阻（RθJB）

芯片结到 PCB 板（Board）的热阻，反映热量通过封装底部传导至 PCB 的能力。计算公式为 RθJB = (Tj - TB) / PH，测量时芯片底部与 PCB 紧密接触，测量点位于 PCB 下方特定距离（如 1mm 或 2mm）。影响因素包括封装底部金属层厚度、PCB 铜箔面积和层数、焊盘设计等。带散热焊盘的 QFN 封装可能低至 10 - 20℃/W，无焊盘的 SOP 封装可能高达 50℃/W 以上，适用于优化 PCB 散热设计，尤其适用于无散热器的密闭空间设备。

外壳到散热器热阻（RθCS）

封装外壳与散热器之间的热阻，反映接触界面的导热效率。计算公式为 RθCS = (TC - TCS) / PH，影响因素有接触压力、导热膏 / 垫的材质与厚度、表面粗糙度等。优质导热膏（如硅脂）可将 RθCS 降至 0.1 - 0.5℃/W，而空气间隙可能导致 RθCS 超过 1℃/W，可用于指导散热器安装工艺，避免因接触不良导致散热失效。

结到顶部热阻（RθJT）

芯片结到封装顶部的热阻，反映热量通过封装顶部散出的效率。计算公式为 RθJT = (Tj - Tt) / PH，适用于顶部散热设计（如加装或风扇），常见于高功率 或。金属顶盖封装（如 TO - 247）可能低至 5 - 10℃/W，塑料封装可能高达 50℃/W 以上。

DDR4 堆叠热仿真分析

以公司的一款 DDR4 芯片为例，该芯片采用 9 片 die 堆叠设计，采用两半（4 个 die 和 5 个 die）进行堆叠。

本次仿真采用 Ansys Icepak 进行模拟，评估 BGA321 封装在不同热路径下的热阻性能。仿真条件为环境温度 25℃，功率 6.75W，PCB 类型 2s2p，散热方式为自然对流。

RθJA

在 JA 环境中，温在 5 个芯片堆叠的芯片上表面，计算可得热阻 JA 为 17.55℃/W。RθJA 反映了芯片到环境空气的整体散热能力，在自然对流条件下 RθJA 的典型值为 20 - 100℃/W。该芯片 RθJA 小于典型值，说明热量更容易散热到环境当中，芯片有很好的环境散热性能。

RθJB

在 JB 环境中，温在 5 个芯片堆叠的芯片上表面，计算得热阻 JB 为 11.61℃/W。RθJB 表示芯片通过封装底部向 PCB 传递热量的能力，在自然对流条件下，RθJB 典型值为 5 - 20℃/W。该芯片 RθJB 在典型值范围内，说明芯片通过 PCB 板散热的能力较好，适用于高功率场景。

RθJC

在 JC 环境中，温在 5 个芯片堆叠的芯片底面，计算得热阻 JC 为 3.65℃/W。RθJC 是芯片到封装外壳的热阻，在自然对流条件下，RθJC 典型值为 1 - 10℃/W。该芯片 RθJC 在典型范围内，说明芯片通过封装外壳散热的性能较好，封装导热性好，便于安装散热器和导热垫。

热性能优化建议

改进 PCB 设计

可以使用高导热材料或者增加散热层，提高 PCB 覆铜率来提高 PCB 面热导率。如提高覆铜率至 80%，PCB 面内热导率可以提升至 150W/m*K，预计可以降温 6℃ - 8℃。

优化塑封料

当前塑封料热导率较低，为 1W/mK，根据傅里叶热传导定律，计算出当前塑封料热阻为 4.8℃/W，占系统总热阻的 27%。可以尝试将塑封料热导率提升至 5W/mK，预计结温可以降低 5℃左右。

优化散热路径

当前 RθJC 为 3.65℃/W，说明封装顶部是高效散热路径。可以添加顶部散热器，或者采用高导热界面材料，来进一步优化散热降低结温。