本文的目的是說明電子應用中常見的基本熱分析計算的過程，以及在產品文檔中尋找與該過程相關的資訊。
舉例來說，我們假設我們有一個採用 TO-220 封裝的 IRL3713 電晶體，透過 BER183-ND 熱介面墊片傳熱到 HS278-ND 散熱器，看起來與圖 1 中的模型類似。
圖 1. 所考慮的熱組件模型。
在電子設計的背景下，人們通常擁有一個電子設備、該設備所處的某種環境以及某種設計限制。其中一個或多個通常是未知的，熱分析的目的是填補空白或為相關決策提供資訊。
在任何情況下，典型的做法是將物理組件建模為電路，並假設系統處於穩態熱條件下，換句話說，系統中的所有溫度都已穩定且沒有明顯變化。雖然這種假設通常並不準確，但它簡化了事情，並且往往會產生過於謹慎的結果。
此過程可簡要總結如下，圖 2 中顯示了系統的解構截面圖以及相應的熱模型電路。
- 繪製節點和電阻：每個組件的活動區域、每個組件涉及的機械表面以及廢熱最終被傾倒的環境都被指定為電路中的節點。節點之間繪製的電阻與其物理連接相對應。
- 選擇接地參考：決定您希望結果參考電路/系統中的哪個點。圖 2 的圖中使用絕對零點作為參考（注意電路中新增的節點），但使用周圍環境作為參考點也很常見 - 接近尾聲時將對此進行更多介紹。
- 新增電壓源：在具有定義溫差的節點之間繪製電壓源。在本例中，環境溫度與絕對零度之間的差異被視為「定義」為房間恆溫器的設定。
- 增加電流源：熱功率耗散被建模為電流源，連接在接地和電路中代表進行耗散的結構的節點（通常是半導體接面）之間。
- 設定組件值：使用測量資料、設計約束或製造商的特性為每個組件分配值，並根據需要進行調整以代表實際應用條件。
- 求解未知數：分析由此開發的電路，每個節點的「電壓」對應於該節點的預測溫度。
圖 2. 所研究組件的截面圖和對應的熱模型。
圖 3. 自 IRL3713 規格書節錄。此規格書提供了四種不同熱阻的資訊。理解每個數字的含義（並使用正確的數字）的重要性應該顯而易見，因為最大的數字幾乎是最小數字的 140 倍，並且具有相同符號的兩個數字之間大約有 50% 的差異。
繪製節點和電阻：此目標是確定係統中直接或間接關注溫度的物理點。在涉及半導體裝置的典型情況下，埋在封裝內的裝置實際功能部分（通常稱為「接面」）的溫度是關鍵的關注點 — 正是這個溫度影響了裝置的操作行為。此溫度通常不同於封裝外部的溫度，封裝外部的溫度不同於其所附著的散熱器的表面，也不同於周圍大氣的溫度。
所示的三電阻模型非常普遍地用於許多通孔和底盤安裝的組件，這些組件與附加散熱器、功率電晶體和固態繼電器一起使用，這就是兩個例子。表面貼裝元件的評估過程通常使用較簡單的模型。
設定組件值：這個過程的一部分看起來像是一門黑暗藝術，說實話，通常確實涉及一些有根據的猜測。模型中的三個電阻代表三個不同的項目：相關電子設備、其所連接的散熱器以及選擇的任何類型的熱介面材料。有關每個熱阻的資訊通常可以在對應的規格書中找到，在許多/大多數情況下，以符號 Rϴ 表示以指示熱阻，下標中的附加字元指示所引用的具體熱阻。通常與單獨散熱器一起使用的組件通常會列出 RϴJC 的數字，代表接面到外殼的熱阻；元件內部主動區域與其封裝外部設計用於連接散熱器的點之間的熱阻。
另一種常見的表達方式是RϴJA，它指的是結面到環境的熱阻，通常應用於未使用附加散熱器、簡單地懸掛在自由空氣中的組件，並描述了設備之間的一體化熱阻。這些數字應該受到強烈懷疑，原因如下：
- 在表面黏著式組件的背景下，規格通常基於安裝在特定尺寸、特定組件佔用空間和測試過程中特定方向的板上的設備進行的測量，而實際應用條件不太可能複製。
- 包含在給定數字中的自然對流熱交換過程往往對應用變數非常敏感。
一個不太常見但有用的訊息是接面到焊點的電阻，通常表示為 RϴJS。這類似於 RϴJC 圖，描述設備功能內部結構與焊接到電路板（可作為散熱器）的點之間的熱阻。由於 RϴJS 和 RϴJC 數據均基於相對可預測和一致的因素（製造設備的材料及其組合方式），這些數據對於比較不同設備最有用，並且最有可能給出計算結果與實驗觀察一致。
介面電阻：
圖 4 顯示了本範例選擇的熱介面焊盤的規格書片段，其中包含一大塊 Bergquist 的 Sil-Pad 900S 材料，經過切割以適合 TO-220 封裝。它的熱性能以三種不同的方式來表徵：
導熱率（W/m*K）：這描述了基於 ASTM D5470 測試方法的散裝材料的熱特性。要使用該圖，需要知道所討論的材料樣品的厚度和介面所涉及的面積。
熱阻（°C*in2/W）：這一系列數字描述了材料的熱阻（「電阻」和「阻抗」有時在熱模型中可以互換使用）與所涉及的接觸面積的函數關係，並且是表格中列出了所施加的夾緊壓力的不同值。（注意夾緊力和夾緊壓力之間的區別。）它類似於以倒置形式表示的導熱係數圖，但只需要知道介面面積和夾緊壓力即可使用該圖 - 材料厚度及其在不同夾緊壓力下的變化性已包含在內。檢視的圖表如果將此特定介面材料用於任意接觸區域：根據所施加的夾緊壓力找出熱阻，除以介面面積，即可得出熱阻值。
TO-220 熱性能（°C/W）：這組數字表徵了使用 TO-220 測試包測量的觀察到的熱阻。值得注意的是，儘管所涉及的接觸面積不會隨夾緊壓力發生明顯變化，但 TO220 熱性能和熱阻抗值之間的比率會發生明顯變化。這種差異可歸因於所採用的測試方法的差異，並說明需要進行經驗測試來驗證此類問題的設計計算。
圖 4. BER183-ND 規格書節錄。
由於我們的範例零件採用 TO-220 封裝，因此我們將使用 TO-220 熱性能資料。了解所選連接機制所施加的夾緊壓力的大小是必要的。在彈簧式夾緊機制的情況下，這可能可以或無法從製造商提供的數據中獲得。如果使用螺紋緊固件，則由使用者根據組裝過程中為安裝螺栓規定的扭矩大小來決定。出於本範例的目的，將使用 50PSI 安裝壓力的資料。根據 TO-220 封裝的典型尺寸，這與大約 12lb（53N）的夾緊力相關，這並非不合理。在這些情況下，本例中電晶體和散熱器之間的機械介面的熱阻估計約為 2.9°C/W。
散熱器熱阻：
散熱器製造商為其產品提供兩組不同的特性曲線，以粗略地說分別在無風扇和配備風扇的應用中描述自然對流和強制對流的行為，這種情況並不罕見。在同一個圖表中描述多個產品的情況並不罕見，這可能會使識別感興趣的資訊變得有點困難。
在圖 5 所示的目錄片段中，使用 4 個不同的曲線對五種產品進行了表徵。此範例選擇了 Boyd 的 530614 散熱片產品，使虛線相關，實曲線上附有的箭頭指示哪組軸標籤適用於相似形狀的曲線。考慮到這一點，可以看出給了兩組不同的資訊；熱阻作為空氣速度的函數，以及因功率耗散而導致的溫升。
儘管沒有明確說明，但其含義是前者用於存在強制氣流的情況，而後者適用於自然對流，其中由散熱器加熱的空氣的浮力是導致空氣流動的唯一力量。
就提出插入模型的 Rϴsink-ambient 值而言，在強制空氣情況下，人們可以從由產品選擇確定的適當曲線中從圖表右側刻度讀取該值，在與空氣流過散熱器的速率相對應的點。假設空氣速度為 500 feet/min（2.5m/s），則該散熱器的估計熱阻將略低於 7°C/W。
如果強制通風因某種原因失敗或一開始就沒有提供，則需要知道有多少熱功率通過散熱器移動，這就是此處模型中 PThermal 的值。在這種情況下，底部和左側的比例與適當的曲線一起使用。請注意，該圖表提供的不是熱阻（單位為 °C/W），而是安裝表面的溫升，單位僅為 °C。由於必須知道模型中的 PThermal 值才能找到數值，因此製造商在此提供熱模型中的 PThermal*Rϴsink-ambient 結果。如果需要，只需將溫升除以散熱值即可得出熱阻值。例如，如果需要在自然對流情況下消除 4W 功率，這樣做會導致所選散熱器的安裝表面溫度相對於環境溫度升高約 80°C。 80°C/4W=20°C/W。這比 500 feet/min 的強制氣流所達到的 7°C/W 高出近三倍。
計算熱功率輸入：
計算運作中的設備將產生的熱功率可以是一項簡單的任務（例如在固定電阻器上施加直流電壓時），也可以是一項相當複雜的事情，例如在高頻開關電路。這也是一個單獨的文章中更好討論的主題。為本範例的目的，假定電晶體中消耗 4W 的功率。
求解未知數：
建立熱模型中各個組件的值後，可以繼續使用歐姆定律等基本電路分析概念來預測系統中各個節點的溫度。在此範例中，電晶體的內部溫度才是最重要的。這個問題很容易解決，只需將所有熱阻相加，乘以熱功率耗散值，然後將結果與環境溫度相加即可。
在此範例中使用的環境下，電晶體的內部溫度可能會在 66°C 左右徘徊，並且確定的流經散熱器的氣流為 500FPM，這是一個相當舒適的數字，完全在額定工作範圍內。裝置.如果產生氣流的設備發生故障並且系統恢復到自然對流運行模式，則預計結溫將接近 120°C。雖然溫度要高得多，但它仍然在零件的額定工作範圍內，在達到額定最大值之前還留有一點空間。從熱的角度來看，本例中建議的操作條件顯得相當合理。
請注意，模型基本上有兩個部分：一部分代表系統本身（Rϴ 值總和乘以 PThemal），另一部分 (TAmbient) 代表系統運作的環境。由於環境各不相同，人們通常在模型中將周圍環境的溫度作為接地參考，並找到設備內部（接面）溫度與周圍環境之間的溫差，表示為 ΔTJ-A。這是表達熱計算結果的一種更便攜和更通用的方式，因為只需要傳達一個數字來表達廣泛含義的東西；說「電晶體會比周圍環境溫暖 41°C」比說「當環境溫度為 25°C 時，電晶體的溫度將是 66°C」更簡單。
總括而言，透過物理測試驗證計算結果的重要性值得一提。存在大量錯誤和不準確的機會，特別是在正在開發的模型與感興趣的系統的一致性方面。流經散熱器的氣流速度或施加的夾緊壓力等因素可能難以準確測量或預測，而這些輸入中的錯誤可能會對計算結果產生實質影響。
圖 6. 熱電路模型，其中顯示了範例值和結溫計算結果。
圖 7. 簡化了同一模型，計算了相對於周圍環境的溫差。