图1
公式（2）则是根据材料特征来计算热阻。利用公式（2），可以不用做实际的测量实验，利用各材料的导热系数和各组成材料的几何形状，就可以计算出热阻。这对做模拟计算是非常好的理论依据。同时，公式（2）更容易让人理解热阻产生的本质。
三、导热系数与热阻的应用问题
采用热阻的概念，只能是两个系统保持不变的情况下来分析、比较系统的热状态。两个系统若有改变，比较的结果可能完全相反。
比如，两种不带铝基板的1W白光LED，见图2和图3，它们的结构尺寸见图4和图5，根据铜底座尺寸，按照公式（2）计算，图3产品的中心轴向热阻应是图2产品的1.54倍。可在实际使用中，图3的芯片温度要低。怎么会这样？因为，它的底板下部的面积大，便于热流横向扩展。上面的计算没有考虑热流横向扩展！它们实际应用时，还必须要加散热器，见图5。通常散热器是铝合金材料，导热系数远小于纯铜材料。图2的LED接触面小，热量在往散热器上传导时，横向的热阻就大了；而图3的产品由于铜底座面积大，热量便于横向散开传导到散热器上，使得热流密度减小，将热量更有效地传导到散热器的外部翅片上。所以，虽然图3的结构纵向路径长了，但由于有了好的横向路径，其实热阻反倒小了。
再比如，两个材料、工艺相同制成的散热器，A表面积比B表面积大一倍，似乎A的热阻比B小，A要好。可是，给B配上风扇，B的热阻就会小于A。事实上是B和风扇形成了系统，是这个系统比A好。并不是A比B的热阻小而最终在使用上A比B系统好。A和B的比较就没有意义，因为B不是单独使用。
这个例子是有实际应用意义的。在设计产品的散热器结构时，我们可能采用两种方案：只用散热器自然散热和散热器加风扇散热。在采用风扇散热时，可以选取一个较小的散热器，其与风扇组合的散热效果可能远优于只采用一个较大的散热器的效果。虽然小散热器的热阻大于大散热器的热阻，但在两个系统中，我们也不能单以两个散热器的热阻大小来说好坏。
在系统构成后，不用热阻的概念，通过温度值就可以知道导热效果的差异。这里“系统的构成后”是指相比较的系统的结构确定，热源确定。可以测试相关点的温度就知道结果。没有必要已经知道了相关点的温度后再去算出个热阻来。通过相关点的温度值已经很明确了哪个好，哪个不好。如果说不是测试，而是要通过模拟计算得到结果的话，在模拟计算中，也是通过导热系数和结构参数，先算出相关点的温度。计算得到了各点的温度，导热好坏也就明了了。也可以不需要再多算一步来算出热阻值。
对于热系统间的比较，仅仅知道各系统的热阻值，也无法比较哪个好坏。
举例说明。两个不同LED灯具，采用相同型号、规格和数量的LED，它们的芯片PN结到灯具最外端的热阻不同。可是这两个灯具设计的芯片工作电流是不同的。一个灯具的工作电流比另一个要小的多，即使这个灯具的热阻大些，它的芯片温度还是要低，它的寿命相对就要好。所以，给出热阻值而不同时了解其它相关条件，单从热阻值来比较这两个灯具，是没有意义的。而若给出灯具在正常工作条件下的温度值，则可以很好低判定它们的热状况好坏了，由此才可以推断哪个灯具的可靠性和寿命会好。
图7
图8 图9
导热系数、传热系数、热阻值概念及热工计算方法 导热系数λ[W/(m.k)]： 导热系数是指在稳定传热条件下，1m厚的材料，两侧表面的温差为1度(K,℃),在1小时内，通过1平方米面积传递的热量，单位为瓦/米?度(W/m?K,此处的K可用℃代替)。导热系数可通过保温材料的检测报告中获得或通过热阻计算。 传热系数K [W/(㎡?K)]： 传热系数以往称总传热系数。国家现行标准规范统一定名为传热系数。传热系数K值，是指在稳定传热条件下，围护结构两侧空气温差为1度(K，℃)，1小时内通过1平方米面积传递的热量，单位是瓦/平方米?度(W/㎡?K，此处K可用℃代替)。传热系数可通过保温材料的检测报告中获得。 热阻值R(m.k/w)： 热阻指的是当有热量在物体上传输时，在物体两端温度差与热源的功率之间的比值。单位为开尔文每瓦特（K/W）或摄氏度每瓦特（℃/W）。 传热阻： 传热阻以往称总热阻，现统一定名为传热阻。传热阻R0是传热系数K的倒数，即R0=1/K，单位是平方米*度/瓦（㎡*K/W）围护结构的传热系数K值愈小，或传热阻R0值愈大，保温性能愈好。 （节能）热工计算： 1、围护结构热阻的计算 单层结构热阻：R=δ/λ 式中：δ—材料层厚度(m)；λ—材料导热系数[W/(m.k)] 多层结构热阻： R=R1+R2+----Rn=δ1/λ1+δ2/λ2+----+δn/λn 式中: R1、R2、---Rn—各层材料热阻(m.k/w) δ1、δ2、---δn—各层材料厚度(m) λ1、λ2、---λn—各层材料导热系数[W/(m.k)] 2、围护结构的传热阻 R0=Ri+R+Re 式中: Ri —内表面换热阻(m.k/w)(一般取0.11) Re —外表面换热阻(m.k/w)(一般取0.04) R —围护结构热阻(m.k/w) 3、围护结构传热系数计算 K=1/ R0 式中: R0—围护结构传热阻 外墙受周边热桥影响条件下，其平均传热系数的计算 Km=(KpFp+Kb1Fb1+Kb2Fb2+ Kb3Fb3 )/( Fp + Fb1+Fb2+Fb3) 式中:Km—外墙的平均传热系数[W/(m.k)] Kp—外墙主体部位传热系数[W/(m.k)]
热阻测试仪使用说明
测试概述： 1.可测试各类型散热器，散热模组测试热阻及温度监控. 2.电脑软件自动监控，自动计算温度及热阻，并自动绘制温度及热阻曲线。 3.使用简单，适用范围广。 4.测试精度：优于3％ 5.实验方式：a、试样不同压力下热阻测试。b、材料导热系数测试。c、接触热阻测试。 6.计算机全自动测试，并可实现数据打印输出 使用手册（1本） 三．保修： 本产品自售出之日起6个月内，用户在遵守各项使用要求的情况下，产品质量出现问题，我方可免费维修。因违反操作规定和要求而造成损坏的，需缴纳器件费和维修费及相应的运输费用，如果模拟测试平台有明显的烧毁、烧糊情况原则上不予维修。如果本设备测试有问题，可以免费维修。验收标准，方法及提出异议期限：需方收到货后当场确认！ 四．基本原理 热阻的计算公式：R=T1-T2/W T1=CPU表面温度 T2=环境温度 W=CPU最大运行功率 通过电源提供模拟电脑CPU热阻测试治具与真实电脑CPU运行最大功率时所需的相同功率，使电脑CPU热阻测试治具发热与真实电脑CPU基本相同。通过双通道温度测试仪测试出CPU表面温度和风扇进风口温度。然后通过电脑时时监控温度
变化和计算热阻绘制热阻曲线。 五．操作步骤 1.打开透明机箱盖 2.涂导热膏 3.將散热器固定于模拟测试平台上 4.连接风扇连接线，打开风扇电源开关
5.连接模拟测试平台连接线到电源 6.盖上透明机箱盖 7.将温度线联接到已联接到电脑的温度测试仪。打开电脑及测试软件！ 8.开启模拟CPU电源开关（请一定确认COOLER已安装好） 7.调整正确的电流和电压数,在电脑上可时时监控温度CPU温度. 8.测试10～15分钟后，保存测试数据，关闭模拟CPU电源开关，非常重要！！ 9.关闭温度测试表打开透明机箱盖待模拟制具稍冷却后关闭风扇电源拔取风扇 连接线取下COOLER清洁治具上及COOLER的导热膏盖上透明机箱盖。 10.通过电脑测试自动算出温度曲线，热阻曲线。
热阻及热导率测试方法 范围 本方法规定了导热材料热阻和热导率的测试方法。本方法适用于金属基覆铜板热 阻和导热绝缘材料热阻和热导率的测试。 术语和符号 术语 热触热阻 contact resistance 是测试中冷热两平面与试样表面相接触的界面产生热流量所需的温差。接触热阻 的符号为R I 面积热流量areic heat flow rate 指热流量除以面积。 符号 下列符号适用于本方法。 λ：热导率，W/（m﹒K）； A：试样的面积，m 2 ； H：试样的厚度，m； Q：热流量，W 或者 J/s； q：单位面积热流量，W/ m 2 ； R：热阻，（K﹒m 2 ）/W。 原理 本方法是基于测试两平行等温界面中间厚度均匀试样的理想热传导。 试样两接触界面间的温 度差施加不同温度，使得试样上下两面形成温度梯度，促使热流量全部垂直穿过试样测试表 面而没有侧面的热扩散。 使用两个标准测量块时本方法所需的测试： T1＝高温测量块的高温，K； T2＝高温测量块的低温，K； T3＝低温测量块的高温，K； T4＝低温测量块的低温，K； A＝测试试样的面积，m 2 ； H＝试样的厚度，m。 基于理想测试模型需计算以下参数： T H：高温等温面的温度，K； T C：低温等温面的温度，K； Q：两个等温面间的热流量 热阻：两等温界面间的温差除以通过它们的热流量，单位为（K﹒m 2 ）/W； 热导率：从试样热阻与厚度的关系图中计算得到，单位为W/(m.K)。
接触热阻存在于试样表面与测试面之间。 接触热阻随着试样表面特性和测试表面施加给试样 的压力的不同而显著变化。因此，对于固体材料在测量时需保持一定的压力，并宜对压力进 行测量和记录。热阻的计算包含了试样的热阻和接触热阻两部分。 试样的热导率可以通过扣除接触热阻精确计算得到。 即测试不同厚度试样的热阻，用热阻相 对于厚度作图，所得直线段斜率的倒数为该试样的热导率，在厚度为零的截取值为两个接触 界面的接触热阻。如果接触热阻相对于试样的热阻非常小时（通常小于1％），试样的热导率 可以通过试样的热阻和厚度计算得出。 通过采用导热油脂或者导热膏涂抹在坚硬的测试材料表面来减小接触热阻。 仪器 符合本测试方法的一般特点要求的仪器见图A.1和图A.2。 该套仪器增加测厚度及压力监测等 功能，加强了测试条件的要求来满足测试精度需要。 仪器测试表面粗糙度不大于0.5μm；测试表面平行度不大于5μm。 精度为1μm归零厚度测试仪（测微计、LVDT、激光探测器等）。 压力监测系统。 图A.1 使用卡路里测量块测试架 图A.2 加热器保护的测量架 热源可采用电加热器或是温控流体循环器。主热源部分必需采用有保护罩进行保护， 保护罩 与热源绝缘，与加热器保持±0.2K的温差。避免热流量通过试样时产生热量损失。无论使用 哪一种热源，通过试样的热流量可以用测量块测得。 热流量测量块由测量的温度范围内已知其热导率的高热导率材料组成。为准确测量热流量， 必须考虑热传导的温度灵敏度。推荐测量块材料的热导率大于50 W/(m.K)。 通过推算测量块温度与测试表面的线性关系（Fourier传热方程），确定测量块的热端和冷端 的表面温度。 冷却单元通常是用温度可控的循环流体冷却的金属块，其温度稳定度为±0.2 K。 试样的接触压力通过测试夹具垂直施加在试样的表面上，并保持表面的平行性和对位。
电压法LED结温及热阻测试原理分析 发布日期：2010-08-01 来源： 关键字： 近年来,由于功率型LED 光效提高和价格下降使LED 应用于照明领域数量迅猛增长,从各种景观照明、户外照明到普通家庭照明,应用日益广泛。LED 应用于照明除了节能外,长寿命也是其十分重要的优势。目前由于LED 热性能原因,LED 及其灯具不能达到理想的使用寿命;LED 在工作状态时的结温直接关系到其寿命和光效;热阻则直接影响LED 在同等使用条件下 LED 的结温;LED 灯具的导热系统设计是否合理也直接影响灯具的寿命。因此功率型 LED 及其灯具的热性能测试 ,对于 LED 的生产和应用研发都有十分直接的意义。以下将简述LED 及其灯具的主要热性能指标,电压温度系数K、结温和热阻的测试原理、测试设备、测试内容和测试方法,以供LED 研发、生产和应用企业参考。 一、电压法测量 LED 结温的原理 LED 热性能的测试首先要测试 LED 的结温,即工作状态下 LED 的芯片的温度。关于LED 芯片温度的测试,理论上有多种方法,如红外光谱法、波长分析法和电压法等等。目前实际使用的是电压法。1995 年 12 月电子工业联合会/电子工程设计发展联合会议发布的> 标准对于电压法测量半导体结温的原理、方法和要求等都作了详细规范。 电压法测量LED 结温的主要思想是：特定电流下 LED 的正向压降 Vf 与 LED 芯片的温度成线性关系,所以只要测试到两个以上温度点的Vf 值,就可以确定该 LED 电压与温度的关系斜率,即电压温度系数 K 值,单位是 mV/°C 。K 值可由公式K=ㄓVf/ㄓTj 求得。K 值有了,就可以通过测量实时的 Vf 值,计算出芯片的温度(结温)Tj 。为了减小电压测量带来的误差,> 标准规定测量系数 K 时,两个温度点温差应该大于等于50 度。对于用电压法测量结温的仪器有几个基本的要求：A、电压法测量结温的基础是特定的测试电流下的 Vf 测量,而 LED 芯片由于温度变化带来的电压变化是毫伏级的,所以要求测试仪器对电压测量的稳定度必须足够高,连续测量的波动幅度应小于 1mV 。 B、这个测试电流必须足够小,以免在测试过程中引起芯片温度变化;但是太小时会引起电压测量不稳定,有些LED 存在匝流体效应会影响 Vf 测试的稳定性,所以要求测试电流不小于 IV 曲线的拐点位置的电流值。
单位：毫伏(mV) 温度(℃) 铂铑10?铂 S 镍铬?镍硅 K 镍铬?铜镍 E 铁?铜镍 J 铜?铜镍 T 铂铑30- 铂铑6 B 0 0 0 0 0 0 0 50 0.299 2.022 3.047 2.585 2.035 0.002 100 0.645 4.095 6.137 5.268 4.277 0.033 150 1.029 6.137 9.787 8.008 6.702 0.092 200 1.440 8.037 13.419 10.777 9.286 0.178 250 1.873 10.151 17.178 13.533 12.011 0.219 300 2.323 12.207 21.033 16.325 14.860 0.431 350 2.786 14.292 24.961 19.089 17.860 0.596 400 3.260 16.395 28.943 21.846 20.869 0.786 450 3.743 18.513 32.960 24.607 1.002 500 4.234 20.640 36.999 27.388 1.241 550 4.732 22.772 41.045 30.210 1.505 600 5.237 24.992 45.085 33.096 1.791 650 5.751 27.022 49.109 36.066 2.100 700 6.274 29.128 53.110 39.130 2.430 750 6.805 31.214 57.083 42.283 2.782 800 7.345 33.277 61.022 45.498 3.154 850 7.892 35.314 64.924 48.716 3.546 900 8.448 37.325 68.783 51.875 3.957 950 9.012 39.310 72.593 54.948 4.386 1000 9.585 41.269 76.358 57.942 4.833 1050 10.155 13.202 5.297 1100 10.754 45.108 5.777 1150 11.348 46.985 6.273 1200 11.947 48.828 6.783 1250 12.550 50.633 7.308 1300 13.155 52.398 7.845 1350 13.761 54.125 8.393 1400 14.368 8.952 1450 14.973 9.519 1500 15.576 10.094 1550 16.176 10.674 1600 16.771 11.257 1700 12.426 1800 13.585
导热系数和热阻的实际应用 夏俊峰 2015.08.05 第3版 前言 本文第1版最早于2007年7月发布在中国光学光电子行业论坛上，之后在2009年8月修改为第2版。本次做了全面的修改，增加了模拟计算的内容，以说明如何来正确认识热阻概念。并通过简单介绍模拟软件中有关接触热阻的设置问题，让读者更好地认识导热系数和热阻的实际应用。需要说明的是，本文是讨论仅在热传导方面，所有概念的定义也是针对热传导而言的。并且本文主要是针对LED 应用方面来谈的。 第一章 有关理论知识介绍 要讲导热系数和热阻的问题，首先要搞清楚这两个概念的定义。而要明确定义，必须要先介绍导热的基本理论。 在传热学中，关于热传导的基本理论就是傅里叶定律。对于一维热传导，傅里叶定律表述为：单位时间内通过厚度为L 的热量Q 与厚度两边的温度变化率ΔT 及平板面积A 成正比，即: L ΔT λA t Q -= ——（1） 式中：λ是材料的导热系数。负号表示热量自温度高向温度低方向传递。 对于上述导热定律，读者必须清楚，公式（1）仅是针对一维、热流密度均匀、测温的平面上温度均匀相等的情况。也就是说，引起ΔT 的因素是通过面积A 的热量Q。如果热源有部分热量没有经过面积A，则不能计算在内。 单位时间内传导的热量，就是热功率，用P 表示，单位是：瓦（W）。 由公式（1）可以得知： 导热系数λ是指在稳定传热条件下，单位时间内通过物体单位距离、单位截面积的平行面、产生1度温差的热量。其单位为：瓦/（米·度）。 导热系数和温度有关。具体相关参数要查阅相关物料手册。 对公式（1）做个变换，可以得到： A L T - P λ?= ——（2） 令： A λL R =θ ——（3） 公式（2）就可以简化为： θ R T P ?= ——（4）
分立器件热阻测试方法 一、瞬态热阻 瞬态热阻是指器件在脉冲工作状态下的热阻。脉冲作用下的瞬态热阻定义为最大结温升与耗散功率脉冲幅值之比。对功率晶体管通常以壳温作为温度参考点,其表达式为： θjC = ΔTj / PH = ( Tj - TC) / PH (1) 其中Tj为芯片结温；TC为壳温； PH 为施加的脉冲功率。瞬态热阻测量归结为对脉冲功耗PH、壳温TC及结温Tj的测量。显然，双极晶体管的结温Tj无法进行直接测量。为此，电学法利用发射结的正向压降VBE 与结温Tj 在相当宽的范围内(0～200 ℃)呈线性关系，通过对VBE 的测量间接地测量结温Tj。关系式为: ΔVBE (Tj) = M×ΔTj =VBE (Ta)-VBE(Tj) (2) 式中 M 为温敏系数，是与温度T 基本无关的负常数；VBE ( Ta )，VBE (Tj) 分别为加脉冲功率前、后的温敏参数值。由(1) 和(2) 式得到瞬态热阻与温敏参数ΔVBE关系表达式: θjC =ΔVBE (Tj)/PH (3) 公式(3) 为电学法测量瞬态热阻的基本原理：在一定条件下，器件从结到外壳的热阻θjC 和ΔVBE 成正比关系。图1 所示为单脉冲测量双极晶体管瞬态热阻时序。图中tH 为加热功率持续时间； tms 为温敏参数的测试时间；td 为加热脉冲切断后测量VBE ( Tj )的延迟时间。
图1 单脉冲测量瞬态热阻时序 二、晶体管热阻的测试电路原理 根据瞬态热阻测试原理，图2所示为国标和军标中关于分立器件热阻的测试电路原理图。每次测试的大致情况是：(1) 首先，开关S1和S2置于2，用于加热前被测器件DUT温敏参数（源漏SD之间）的电压VSD测量; (2) 然后，开关S1和S2置于1，对被测器件施加功率（功率设置为VDS×ID）；(3)最后，断开功率（开关S1 和S2断开1置于2）后，在很短的延迟后，快速对温敏参数VSD进行测量。
材料的导热 傅力叶方程式： Q=KA△T/d, R=A△T/Q Q: 热量，W；K: 导热率，W/mk；A：接触面积；d: 热量传递距离；△T：温度差；R: 热阻值 导热率K是材料本身的固有性能参数，用于描述材料的导热能力。这个特性跟材料本身的大小、形状、厚度都是没有关系的，只是跟材料本身的成分有关系。所以同类材料的导热率都是一样的，并不会因为厚度不一样而变化。 将上面两个公式合并，可以得到 K=d/R。因为K值是不变的，可以看得出热阻R值，同材料厚度d是成正比的。也就说材料越厚，热阻越大。 但如果仔细看一些导热材料的资料，会发现很多导热材料的热阻值R，同厚度d并不是完全成正比关系。这是因为导热材料大都不是单一成分组成，相应会有非线性变化。厚度增加，热阻值一定会增大，但不一定是完全成正比的线性关系，可能是更陡的曲线关系。 根据R=A△T/Q这个公式，理论上来讲就能测试并计算出一个材料的热阻值R。但是这个公式只是一个最基本的理想化的公式，他设定的条件是：接触面是完全光滑和平整的，所有热量全部通过热传导的方式经过材料，并达到另一端。 实际这是不可能的条件。所以测试并计算出来的热阻值并不完全是材料本身的热阻值，应该是材料本身的热阻值+所谓接触面热阻值。因为接触面的平整度、光滑或者粗糙、以及安装紧固的压力大小不同，就会产生不同的接触面热阻值，也会得出不同的总热阻值。 所以国际上流行会认可设定一种标准的测试方法和条件，就是在资料上经常会看到的ASTM D5470。这个测试方法会说明进行热阻测试时候，选用多大的接触面积A，多大的热量值Q，以及施加到接触面的压力数值。大家都使用同样的方法来测试不同的材料，而得出的结果，才有相比较的意义。 通过测试得出的热阻R值，并不完全是真实的热阻值。物理科学就是这样，很多参数是无法真正的量化的，只是一个“模糊”的数学概念。通过这样的“模糊”数据，人们可以将一些数据量化，而用于实际应用。此处所说的“模糊” 是数学术语，“模糊”表示最为接近真实的近似。 而同样道理，根据热阻值以及厚度，再计算出来的导热率K值，也并不完全是真正的导热率值。 傅力叶方程式，是一个完全理想化的公式。我们可用来理解导热材料的原理。但实际应用、热阻计算是复杂的数学模型，会有很多的修正公式，来完善所有的环节可能出现的问题。 总之： a. 同样的材料，导热率是一个不变的数值，热阻值是会随厚度发生变化的。 b. 同样的材料，厚度越大，可简单理解为热量通过材料传递出去要走的路程越多，所耗的时间也越多，效能也越差。 c. 对于导热材料，选用合适的导热率、厚度是对性能有很大关系的。选择导热率很高的材料，但是厚度很大，也是
热传导的基础理论 傅立叶方程 对界面材料的热传导，一般按一维来处理，其热传导过程可用傅立叶方程描述： Q＝KA△T/d ┄┄┄┄┄┄┄ (1) 式中：K：导热系数，W/m.k A：接触面积，m2 Q：趁热量，W △T：热量流入面与流出面之间的温差，℃d：壁面的厚度，m 导热系数 导热系数是描述材料导热能力的一个物理量，为单一材料的固有特性，与材料的大小、形状无关。而对于采用玻璃丝网或聚合物膜加固的界面材料，由于其导热系数取决于不同材料层的相对厚度及导热的方向性能，所以用相对导热系数来表征材料的导热性能更合适。 热阻 热阻表示单位面积、单位厚度的材料阻止热量流动的能力，表示为： Rθ＝d/K (2) 对于单一材料，材料的热阻与材料的厚度成正比；对于非单一材料，总的趋势是材料的热阻随材料的厚度增加而增大，但不是纯粹的线形关系。 热阻抗 对于界面材料，用特定装配条件下的热阻抗来表征界面材料导热性能的好坏更合适，热阻抗定义为其热阻和与接触表面间的接触热阻之和，表示如下： Zθ＝d/(K.A)+Ri (3) 表面平直度、表面粗糙度、紧固压力、材料厚度和压缩模量将对接触热阻产生影响，而这些因素又与实际应用条件有关，所以界面材料的热阻抗也将取决于实际装配条件，其影响因素有：接触面积A：接触面积增加，装配热阻即减小。 材料厚度d：绝缘厚度增加，材料的装配热阻增大。 装配压力(Pressure)：在理想条件下，装配压力增加，热阻减小，但压 力增加到一定值后，热阻减小的幅度很小，该点的压力则为材料的最佳 压力值。另外，装配热阻的大小还跟测试方法有关。 界面材料的测试方法 热阻抗的测试方法 ASTM D5470规定的测试方法 遵照美国ASTM D5470－93标准其测试原理图如右图所示： 测试头为圆柱体：截面积1in2 表面粗糙度：小于1μm 材料为：铝6160 T6 加热块及平衡加热器材料为：铜 压力：500PSI±1psi 平衡判定：10分钟内温度变化：小于1℃ ASTM D5470 测试方法示意图 计算方法为： 热量(Heat)： Q cal1,2= Kcal1,2 A cs m1,2(W) 平均热量(Average Heat): Q avg=( Q cal1+ Q cal2)(W)
导热率K是材料本身的固有性能参数，用于描述材料的导热能力，又称为热导率，单位为W/mK。这个特性跟材料本身的大小、形状、厚度都是没有关系的，只是跟材料本身的成分有关系。不同成分的导热率差异较大，导致由不同成分构成的物料的导热率差异较大。单粒物料的导热性能好于堆积物料。 稳态导热：导入物体的热流量等于导出物体的热流量，物体内部各点温度不随时间而变化的导热过程。 非稳态导热：导入和导出物体的热流量不相等，物体内任意一点的温度和热含量随时间而变化的导热过程，也称为瞬态导热过程。 导热系数是指在稳定传热条件下，1m厚的材料，两侧表面的温差为1度（K,°C）,在1秒内，通过1平方米面积传递的热量，用λ表示，单位为瓦/米·度 导热系数与材料的组成结构、密度、含水率、温度等因素有关。非晶体结构、密度较低的材料，导热系数较小。材料的含水率、温度较低时，导热系数较小。 通常把导热系数较低的材料称为保温材料(我国国家标准规定，凡平均温度不高于350℃时导热系数不大于0.12W/(m·K)的材料称为保温材料），而把导热系数在0.05瓦/米摄氏度以下的材料称为高效保温材料。 导热系数高的物质有优良的导热性能。在热流密度和厚度相同时，物质高温侧壁面与低温侧壁面间的温度差，随导热系数增大而减小。锅炉炉管在未结水垢时，由于钢的导热系数高，钢管的内外壁温差不大。而钢管内壁温度又与管中水温接近，因此，管壁温度（内外壁温度平均值）不会很高。但当炉管内壁结水垢时，由于水垢的导热系数很小，水垢内外侧温差随水垢厚度增大而迅速增大，从而把管壁金属温度迅速抬高。当水垢厚度达到相当大（一般为1~3毫米）后，会使炉管管壁温度超过允许值，造成炉管过热损坏。对锅炉炉墙及管道的保温材料来讲，则要求导热系数越低越好。一般常把导热系数小于0。8x10的3次方瓦/（米时·摄氏度）的材料称为保温材料。例如石棉、珍珠岩等填缝导热材料有:导热硅脂、导热云母片、导热陶瓷片、导热矽胶片、导热双面胶等。主要作用是填充发热功率器件与散热片之间的缝隙，通常看似很平的两个面,其实接触面积不到40%,又因为空气是不良导热体，导热系数仅有0.03w/m.k,填充缝隙就是用导热材料填充缝隙间的空气. 傅力叶方程式： Q=KA△T/d, R=A△T/Q Q: 热量，W K: 导热率，W/mk A：接触面积 d: 热量传递距离△T：温度差 R: 热阻值 将上面两个公式合并，可以得到 K=d/R。因为K值是不变的，可以看得出热阻R值，同材料厚度d是成正比的。也就说材料越厚，热阻越大。 但如果仔细看一些导热材料的资料，会发现很多导热材料的热阻值R，同厚度d并不是完全成正比关系。这是因为导热材料大都不是单一成分组成，相应会有非线性变化。厚度增加，热阻值一定会增大，但不一定是完全成正比的线性关系，可能是更陡的曲线关系。 实际这是不可能的条件。所以测试并计算出来的热阻值并不完全是材料本身的热阻值，应该是材料本身的热阻值+所谓接触面热阻值。因为接触面的平整度、光滑或者粗糙、以及安装紧固的压力大小不同，就会产生不同的接触面热阻值，也会得出不同的总热阻值。 所以国际上流行会认可设定一种标准的测试方法和条件，就是在资料上经常会看到的ASTM D5470。这个测试方法会说明进行热阻测试时候，选用多大的接触面积A，多大的热量值Q，以及施加到接触面的压力数值。大家都使用同样的方法来测试不同的材料，而得出的结果，才有相比较的意义。 通过测试得出的热阻R值，并不完全是真实的热阻值。物理科学就是这样，很多参数是无法真正的量化的，只是一个“模糊”的数学概念。通过这样的“模糊”数据，人们可以将一些数据量化，而用于实际应用。此处所说的“模糊” 是数学术语，“模糊”表示最为接近真实的近似。
图1
公式（2）则是根据材料特征来计算热阻。利用公式（2），可以不用做实际的测量实验，利用各材料的导热系数和各组成材料的几何形状，就可以计算出热阻。这对做模拟计算是非常好的理论依据。同时，公式（2）更容易让人理解热阻产生的本质。 三、导热系数与热阻的应用问题 采用热阻的概念，只能是两个系统保持不变的情况下来分析、比较系统的热状态。两个系统若有改变，比较的结果可能完全相反。 比如，两种不带铝基板的1W白光LED，见图2和图3，它们的结构尺寸见图4和图5，根据铜底座尺寸，按照公式（2）计算，图3产品的中心轴向热阻应是图2产品的1.54倍。可在实际使用中，图3的芯片温度要低。怎么会这样？因为，它的底板下部的面积大，便于热流横向扩展。上面的计算没有考虑热流横向扩展！它们实际应用时，还必须要加散热器，见图5。通常散热器是铝合金材料，导热系数远小于纯铜材料。图2的LED接触面小，热量在往散热器上传导时，横向的热阻就大了；而图3的产品由于铜底座面积大，热量便于横向散开传导到散热器上，使得热流密度减小，将热量更有效地传导到散热器的外部翅片上。所以，虽然图3的结构纵向路径长了，但由于有了好的横向路径，其实热阻反倒小了。 再比如，两个材料、工艺相同制成的散热器，A表面积比B表面积大一倍，似乎A的热阻比B小，A要好。可是，给B配上风扇，B的热阻就会小于A。事实上是B和风扇形成了系统，是这个系统比A好。并不是A比B的热阻小而最终在使用上A比B系统好。A和B的比较就没有意义，因为B不是单独使用。 这个例子是有实际应用意义的。在设计产品的散热器结构时，我们可能采用两种方案：只用散热器自然散热和散热器加风扇散热。在采用风扇散热时，可以选取一个较小的散热器，其与风扇组合的散热效果可能远优于只采用一个较大的散热器的效果。虽然小散热器的热阻大于大散热器的热阻，但在两个系统中，我们也不能单以两个散热器的热阻大小来说好坏。 在系统构成后，不用热阻的概念，通过温度值就可以知道导热效果的差异。这里“系统的构成后”是指相比较的系统的结构确定，热源确定。可以测试相关点的温度就知道结果。没有必要已经知道了相关点的温度后再去算出个热阻来。通过相关点的温度值已经很明确了哪个好，哪个不好。如果说不是测试，而是要通过模拟计算得到结果的话，在模拟计算中，也是通过导热系数和结构参数，先算出相关点的温度。计算得到了各点的温度，导热好坏也就明了了。也可以不需要再多算一步来算出热阻值。 对于热系统间的比较，仅仅知道各系统的热阻值，也无法比较哪个好坏。 举例说明。两个不同LED灯具，采用相同型号、规格和数量的LED，它们的芯片PN结到灯具最外端的热阻不同。可是这两个灯具设计的芯片工作电流是不同的。一个灯具的工作电流比另一个要小的多，即使这个灯具的热阻大些，它的芯片温度还是要低，它的寿命相对就要好。所以，给出热阻值而不同时了解其它相关条件，单从热阻值来比较这两个灯具，是没有意义的。而若给出灯具在正常工作条件下的温度值，则可以很好低判定它们的热状况好坏了，由此才可以推断哪个灯具的可靠性和寿命会好。
铂铑 10 -- 铂热电偶分度表 分度号 S ( 参考端温度为 0℃ ) ───┬────────────────────────────────────────────温度│热电动势 ( mV ) ├────────────────────────────────────────────℃│ 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 ───┴──────────────────────────────────────────── -50 -0.236 -40 -0. -0. -0.203 -0.207 -0.211 -0.215 -0.220 -0.224 -0.228 -0.232 -30 -0.150 -0.155 -0.159 -0.164 -0.168 -0.173 -0.177 -0.181 -0. -0.190 -20 -0.103 -0.108 -0.112 -0.117 -0.122 -0.127 -0.132 -0.136 -0.141 -0.145 -10 -0. -0. -0. -0.068 -0. -0.078 -0. -0.088 -0. -0.098 - 0 0 -0.005 -0.011 -0.016 -0. -0.027 -0.032 -0. -0. -0. 0 0 0.005 0.011 0.016 0. 0.027 0.033 0.038 0.044 0.050 10 0. 0.061 0.067 0.072 0.078 0.084 0.090 0.095 0.101 0.107 20 0.113 0.119 0.125 0.131 0.137 0.142 0.148 0.154 0.161 0.167 30 0.173 0.179 0.185 0.191 0. 0.203 0.210 0.216 0.222 0.228 40 0.235 0.241 0.247 0.254 0.260 0.266 0.273 0.279 0.236 0.292 ──────────────────────────────────────────────── 续分度号 S 续表 1 ───┬────────────────────────────────────────────温度│热电动势 ( mV ) ├────────────────────────────────────────────℃│ 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 ───┴──────────────────────────────────────────── 50 0.299 0.305 0.312 0.318 0.325 0.331 0.338 0.345 0.351 0.358 60 0.365 0.371 0.378 0.385 0.391 0.398 0.405 0.412 0.419 0.425 70 0.432 0.439 0.446 0.453 0.460 0.467 0.474 0.481 0.488 0.495 80 0.502 0.509 0.516 0.523 0.530 0.537 0.544 0.551 0.558 0.566 90 0.573 0.580 0.587 0.594 0.602 0.609 0.616 0.623 0.631 0.638 100 0.645 0.653 0.660 0.667 0.675 0.682 0.690 0.697 0.704 0.712 110 0.719 0.727 0.734 0.742 0.749 0.757 0.764 0.772 0.780 0.787 120 0.795 0.802 0.811 0.818 0.825 0.833 0.841 0.848 0.856 0.864 130 0.872 0.879 0.887 0.895 0.903 0.910 0.918 0.926 0.934 0.942 140 0.950 0.957 0.965 0.973 0.981 0.989 0.997 1.005 1.013 1. 150 1. 1. 1. 1. 1.061 1.069 1. 1. 1. 1.101 160 1.109 1.117 1.125 1. 1.141 1.149 1.158 1.166 1.174 1.182 170 1.190 1. 1.207 1.215 1.223 1.231 1.240 1.248 1.256 1.264 1.273 1.281 1.289 1.297 1.306 1.314 1.322 1.331 1.339 1.347 190 1.356 1.364 1.373 1.381 1.389 1.398 1.406 1.415 1.423 1.432
热阻值和导热系数关系 Revised by Hanlin on 10 January 2021
（R值）与（U值） R值和U值是用于衡量建筑材料或装配材料热学性能的两个指标。R值代表建筑材料阻止热量穿过的能力。R值越高，材料的阻热和隔热性能越高。U值的意义则与之相反。U 值代表不同材料表面之间的热传导量。U值越低，表示热传导量就越低，材料的隔热效果就越好。 基本材料的热导率? 所有的建筑材料都有各自的热导率，热导率的单位是W/Mk。导热系数是指在稳定的传热条件下，单位截面、厚度的材料在单位温差和单位时间内直接传导的热量，单位是"瓦/（米·开尔文）。材料的热导率越低，代表产品的隔热性能越好。岩棉是最理想的隔热材料之一，其热导率很低，因而产品隔热效果良好。材料的热导率（用K或λ表达），有不同的标准，比如欧盟标准（EN），美国标准（ASTM）以及其他国际或地方标准。利用K 值可以衡量材料或的热阻值（R值）和热导系数（U值）。 R值（热阻值） 热阻值（R值）与材料的厚度和热导率有关。需要注意的是，在热导率恒定的前提下，材料厚度越高，热阻值也越高。 R=d/k 其中：R表示热阻值d表示材料厚度（单位米）k表示热导率材料的热阻值（R值）会影响房屋及屋顶的建造效果。传统的建筑材料通常是砖、水泥、瓦片、钢筋和木头，这些材料的热阻性能不是很好。采用特殊材料进行隔热处理，效果非常良好。采用岩棉隔热，
同等厚度岩棉的隔热效果超过砖头的隔热效果20倍，同等厚度岩棉的热阻性能是水泥热阻性能的40倍以上。第三方独立研究显示，采用隔热材料改善能效是最可行的方法。 U值（热导系数） 建筑物的热导系数（U值）表示在稳定传热条件下，单位面积的建筑截面材料，两表面在单位空气温差和单位时间内直接传导的热量，单位是"瓦/（米2·开尔文）。 U=1/Rt 其中Rt代表材料总的热阻值：Rt=Ro+d1/k1+d2/k2+...........dn/kn+Ri在该等式中：Ro代表外表面的空气薄层热阻单位(m2K/W)Ri代表内表面的空气薄层热阻单位 (m2K/W)k代表基本材料的热导率单位(W/mK)d代表基本材料的厚度单位（米）建筑材料的U值越低，代表抗热性越好。
织物热阻的测量方法 热阻的物理意义是试样两面温差与垂直通过试样单位面积的热流量之比,这与电流通过导体的电阻相类似。热阻值越大代表织物的保暖性好。除了热阻之外,织物的传热指标还有导热系数和传热系数。与导热系数相比,热阻的测量受织物厚度的影响比较小。而且织物热阻的测量使得织物的热阻值可以参与热环境的热损耗等计算,因为热阻串联后其总热阻等于各部分热阻之和,若干热阻并联后的总热阻的倒数等于各部分热阻倒数之和。 一、热阻主要测量标准： 热阻的测量标准有很多:GB/T18398一2001,FZ/T01029一1993,GB/T24254一2009,GB/T11048一2008,15015831,ASTMF1291等等。根据中华人民共和国国家标准,服装热阻的测试方法—暖体假人法,其标准是GB/T18398一2001。此标准规定了测试服装热阻用的暖体假人系统的基本技术要求和暖体假人测定服装热阻的方法。 二、热阻现有测量方法： 1.管式织物保温仪法： 依据国标GB11048一89方法B,纺织品的热阻也可以使用管式织物保温仪来测定〔29〕。测试的时候将试样包覆在试样架上,盖上外罩,待加温管升温一段时间后定时降温散热。测试的过程采用了计算机控制和数据处理,测定后就能直接得出保温率、传热系数等各项指标。 有些保暖试验仪还有低温箱,这是为了模拟冬天寒冷的天气,低温箱的温度可以控制在一30℃左右,恒温箱的温度可达40℃,这个温度差能是热量迅速透过织物。要计算织物热传递性的指标首先要测量恒温箱保持一定温度是消耗的热量。 2.平板式织物保温仪法： 用平板仪来测量织物的热阻是国标GB11048一89的方法A所规定的方法。平板式保温仪由试验板,保护板,底板,有机玻璃罩,温度传感器和可开启的门组成一个恒定温差的环境。温度恒定在36℃,用隔热材料与周围环境隔离开来,用相同的隔离材料隔离开试验板和保护板,试验台三板之间没有温差,以通断电的方式保持恒温,保证热量只能向上传递而不会逆向传递。温度传感器是用来测定机箱的温度,一般维持标准大气温度即20℃左右。实验时将试样放置在试验板上,测试单位时间内维持试验板恒定温度所需的外界补充的热量。此热量也就是通过织物散失出去的热量,再由此计算出织物试样的保温率、传热系数和热阻。平板式保温仪如下图所示：其中热阻的计算公式如下: R=d/k 式中:R—热阻; d—材料厚度(m);
热阻值和导热系数关系 YKK standardization office【 YKK5AB- YKK08- YKK2C- YKK18】
（R值）与（U值） ? R值和U值是用于衡量建筑材料或装配材料热学性能的两个指标。R值代表建筑材料阻止热量穿过的能力。R值越高，材料的阻热和隔热性能越高。 U值的意义则与之相反。U值代表不同材料表面之间的热传导量。U值越低，表示热传导量就越低，材料的隔热效果就越好。 基本材料的热导率 所有的建筑材料都有各自的热导率，热导率的单位是W/Mk。导热系数是指在稳定的传热条件下，单位截面、厚度的材料在单位温差和单位时间内直接传导的热量，单位是"瓦/（米·开尔文）。 材料的热导率越低，代表产品的隔热性能越好。岩棉是最理想的隔热材料之一，其热导率很低，因而产品隔热效果良好。 材料的热导率（用K或λ表达），有不同的标准，比如欧盟标准（EN），美国标准（ASTM）以及其他国际或地方标准。利用K值可以衡量材料或的热阻值（R值）和热导系数（U值）。 R值（热阻值） 热阻值（R值）与材料的厚度和热导率有关。需要注意的是，在热导率恒定的前提下，材料厚度越高，热阻值也越高。 R = d / k 其中： R 表示热阻值
d 表示材料厚度（单位米） k 表示热导率 材料的热阻值（R值）会影响房屋及屋顶的建造效果。传统的建筑材料通常是砖、水泥、瓦片、钢筋和木头，这些材料的热阻性能不是很好。 采用特殊材料进行隔热处理，效果非常良好。采用岩棉隔热，同等厚度岩棉的隔热效果超过砖头的隔热效果20倍，同等厚度岩棉的热阻性能是水泥热阻性能的40倍以上。第三方独立研究显示，采用隔热材料改善能效是最可行的方法。 ? U值（热导系数） 建筑物的热导系数（U值）表示在稳定传热条件下，单位面积的建筑截面材料，两表面在单位空气温差和单位时间内直接传导的热量，单位是"瓦/（米2·开尔文）。 U = 1 / Rt 其中Rt代表材料总的热阻值： Rt = Ro + d1 / k1 + d2 / k2 + ........... dn / kn + Ri 在该等式中： Ro 代表外表面的空气薄层热阻 单位 (m2K/W) Ri 代表内表面的空气薄层热阻单位 (m2K/W) k 代表基本材料的热导率单位 (W/mK)
传热系数和导热系数 传热系数以往称总传热系数。国家现行标准规范统一定名为传热系数。传热系数K值，是指在稳定传热条件下，围护结构两侧空气温差为1度（K ,C）, 1小时内通过1平方米面积传递的热量，单位是瓦/平方米度（W/ m2 K，此处K可用C代替）。 导热系数是指在稳定传热条件下，1m厚的材料，两侧表面的温差为1度（K, C）,在1小时内，通过1平方米面积传递的热量，单位为瓦/米?度（W/m?K,此处为K可用C代替）。导热系数与材料的组成结构、密度、含水率、温度等因素有关。非晶体结构、密度较低的材料，导热系数较小。材料的含水率、温度较低时，导热系数较小。通常把导热系数较低的材料称为保温材料，而把导热系数在0.05瓦/米?度以下的材料称为高效保温材料。 传热阻以往称总热阻，现统一定名为传热阻。传热阻RO是传热和系数K的倒数，即RO=1/K，单位是平方米度/瓦（m2. K/ W）。围护结构的传热系数K值愈小，或传热阻R0值愈大，保温性能愈好。 由固体器壁隔开的热、冷流体在温度相差为一度时，单位时间内通过单位器壁面积的传热量，又称总传热系数。它是传热学中度量传热过程有效程度的主要指标。其数学定义式为
式中?为单位时间内流过传热面的热量即热流量；为传热面积；△ 为热、冷流体的对数平均温度差。 机械工程中遇到的传热过程常常是热传导、对流换热和辐射换热三者的综合，而在应用最多的表面式换热器（又称间壁式换热器）中温度不太高，辐射换热的作用不大，所以分析时主要考虑热传导和对流换热的综合过程。 传热过程中热流体通过对流换热向高温侧壁面传热（见图 这一热量又通过固体壁导热传递给低温侧 壁面，最后以对流换热方式由冷流体把热量从低温侧壁面带走。因此，传热过程通常都可简化成串联的3个基本环节：对流换热一导热—对流换热。3个串联环节的分热阻之和组成传热过程的总热阻。因此，传热系数可表示为 I ] * $ * ] 屍鼻屁式中方、方分别表示热、冷流体与其相接触壁面间的对流传热系数（需要时，其中包括辐射换热的相应折算值）；?、分别为器壁的厚度和热导率。分母中的3个分数代表3 个串联环节的分热阻。因此，传热系数不仅与器壁的材料性能和厚度有关，还与器壁两侧的对流换热（有时还有辐射换热）过程有关，而且
GJB548B 侧重于测定微电子器件的热性能，包括微电子器件的结温、热阻、壳温、安装表面温度以及热响应时间。规定了试验所需的设备：热电偶、能使规定参考点恒温的可控温箱或散热器、提供可控电源和进行规定测量所需的电学设备、红外微辐射仪、用于安装被试微电子器件的典型散热器、热探针组件。参考点温度采用热电偶直接测量。测量热阻时，应选择芯片上功耗密度最大的结进行测量。热阻的测量有两种方法：1、直接测量结温以确定)(R J th R -。采用红外辐射仪可以直接测量半导体芯片内部热限制器件的结温，且应去掉封闭壳体的帽或顶盖，以暴露出有源芯片或器件；2、间接测量结温以确定)(R J th R -。用芯片上特定半导体元件给出器件的结温可间接测量集成电路的热阻。并给出了测量)(平均j T 的开关方法。 MIL-STD-883E 中关于微电子器件热性能的测定与GJB548B 大致相同。 MIL-STD-750E 分别规定了以下微电子器件的测试电路。 1、老化和寿命试验中结温的测量。有两种测试方法可用：一是选取低的测试电流不会引起明显的自热现象（类似于热阻的测量）；二是采用一系列电流脉冲确定温敏参数。这两种测试方法适用于二极管和双极型三极管。该标准给出了测试中所需的设备以及两种测试方法的测试流程。最后给出了第三种测试方法，该方法仅适用于壳安装好的功率器件，并且器件在老化或寿命试验中的工作功率和电流范围仍低于器件的额定功率。 2、二极管的热阻测试。主要是测定二极管的热性能。有两种测试途径：稳态热阻测试和瞬态热阻测试。位于半导体芯片和封装之间的固晶层中的空洞面积对稳态热阻和瞬态热阻的影响很大，瞬态热阻相比于稳态热阻对空洞面积更敏感。瞬态热阻测试中的建议：瞬态热阻测试方法中的潜在问题基于，在充足的解决方案下试图用足够精确的测试手段来区分合格和不合格的二极管。由于被测二极管电流的增加，瞬态下的热阻抗值将变得非常小，这将增加剔除合格二极管保留不良二极管的可能性。所以在这种情况下应采用较大的H I 值。 3、绝缘栅双极晶体管的热阻测试。测量绝缘栅双极晶体管在特定电压、电流和持续脉冲下的热阻。该方法用来测试一个加热脉冲的结的热响应时间。特别地，该试验可测试直流热阻，这要求持续脉冲和加热功率大小的恰当选择。