— 其實真正的功夫是：把功耗路徑、熱阻鏈、瞬態熱容、環境條件、與最壞情境一起算進去，並在設計上留出“能活”的餘裕
🎯 單元目標
完成本單元後，你將能夠：
• 把「功率 P」轉換成「結溫 Tj」的工程模型（穩態與瞬態）• 看懂 Rθ、Zθ(t)、熱容 Cth 的差異：為何 1 秒內不熱、10 分鐘後崩
• 會建立熱路徑：Junction → Case → Heatsink → Ambient（或 PCB → 空氣）
• 掌握散熱手段的效果排序：銅箔/導熱孔/散熱片/風扇/TIM/機構設計
• 能做 derating 與最壞情境設計：環溫、灰塵、風道阻塞、老化、製程差
• 知道功率元件常見的熱失效模式：熱失控、熱疲勞、焊點/封裝破壞
🧭 一、先給一句話總結（超核心）
👉 熱設計的本質是「把功耗沿著熱阻鏈搬走」，並確保任何時刻的結溫 Tj 都低於安全上限：穩態靠 Rθ，瞬態靠 Zθ(t) 與熱容；真正現場炸掉，常不是算錯平均功率，而是忽略環境、風道、TIM、PCB 熱擴散與最壞情境。
🧠 二、熱不是玄學：先把“熱路徑”畫出來
任何元件發熱都要走一條路才能散到環境：
最常見（功率元件／IC）
Junction（晶片） → Case（封裝） → Heatsink（散熱片） → Ambient（空氣）
ASCII（熱路徑）
Tj ──[RθJC]── Tc ──[RθCS]── Ts ──[RθSA]── Ta Junction Case Sink Ambient
關鍵直覺：
• 你只能降低“熱阻鏈”的總和，或降低功耗 P，或降低環溫 Ta
• 熱會走「阻力最小」的路：PCB、螺絲、金屬外殼、銅箔、風道，都可能是主路徑
🧠 三、工程師的熱公式：把功率翻成結溫
3.1 穩態（長時間）最常用
Tj ≈ Ta + P·RθJA
其中：
• RθJA：Junction-to-Ambient 熱阻（°C/W）
• P：平均功耗（W）
• Ta：環境溫度（°C）
直覺：
✅ Rθ 越小，溫升越小
✅ P 越大，溫升越大
✅ Ta 越高，你離死亡越近
3.2 瞬態（短脈衝 / 啟動 / 浪湧）更重要
ΔT(t) ≈ Ppulse · Zθ(t)
• Zθ(t) 是“熱阻抗”（°C/W），t 越短通常越小
• 所以短脈衝可以承受更大功率，但時間拉長就不行
ASCII（Zθ(t) 直覺）
Zθ(t) ^ ________ → 接近 Rθ（長時間）
| / | / | / |__ /________________> t 很短小 越久越大
一句話：
👉 SOA 是 V–I–t 的生存地圖；熱設計是把這張地圖背後的 Zθ(t) 與熱路徑做對。
🧠 四、你一定要會的 3 種熱參數（別再混在一起）
- Rθ（熱阻，穩態用） • 代表“最後會熱到哪裡” • 例如 RθJA、RθJC、RθSA
- Cth（熱容，瞬態用） • 代表“熱上升的慣性” • 熱容大：短時間不容易升溫，但最後還是會升上去
- Zθ(t)（熱阻抗，瞬態用） • 等同“時間相關的有效熱阻” • 真實元件常是多級 RC（多段時間常數）
（多級 RC 熱模型概念）
P(t) → [R1||C1] → [R2||C2] → [R3||C3] → Ta （短時間由 C1 吃掉，長時間最後由 R1+R2+R3 決定）
工程直覺：
👉 “短時間不熱”不代表安全，只代表熱容還在幫你扛；你只要扛久一點，就會到穩態溫升。
🧠 五、散熱手段的效果排序（功率電路常見）
你可以把散熱手段想成：降低某一段熱阻鏈，或增加換熱能力。
5.1 PCB 導熱（很多人低估）
• 加厚銅箔（2oz、3oz）
• 擴大銅箔散熱面（power plane 做大）
• 導熱孔 via array（把熱導到背面/內層）
• 用多層板把熱擴散開
（via 散熱）
Top copper [熱源]
|||||| ← via array 把熱導到下層/背面
Bottom copper（大面積散熱）
5.2 TIM（導熱介面材料）
• 矽脂、導熱墊、石墨片
• 目的：降低 RθCS（Case-to-Sink）
• 最容易被忽略但很致命：
- 壓力不足 → 接觸差
- 表面不平 → 氣隙變大
- 老化乾裂 → 熱阻變大
5.3 散熱片與風扇（直接降低 RθSA）
• 風扇是“把散熱片變成更有效的散熱片”
• 風道設計比你想像的重要：
- 風有沒有真的流過鰭片？
- 會不會短路回流？
- 進風溫度是不是已經被別的熱源加熱過？
5.4 機構與系統級散熱
• 金屬外殼當散熱器
• 熱源分散布局（不要堆在一起）
• 熱隔離：怕熱的感測器遠離熱源
🧠 六、最常見的熱失效模式（你要用設計避開）
- 熱失控（Thermal runaway） • 某些元件/電路溫度升高 → 電流更大 → 更熱 → 正回授 例：BJT、二極體、某些線性工作點設計不良
- 熱點（Hot spot） • 功率密度不均，局部先超溫 • MOSFET 線性區、功率 IC、封裝內部導熱不均都會出現 👉 所以“平均溫度還好”也可能死在局部
- 熱疲勞（Thermal cycling / power cycling） • 反覆冷熱循環造成：焊點裂、bond wire 疲勞、封裝剝離 👉 現場常見：開開關關、負載跳動、頻繁啟停
一句話：
👉 熱不是只有“燙不燙”，還包含“反覆熱脹冷縮會不會把你震碎”。
🧠 七、derating（降額）才是成熟設計：把最壞情境算進去
不要用“實驗室條件”設計現場。
你至少要考慮：
• Ta：夏天機箱內 50°C～70°C（甚至更高）
• 散熱片積灰 → 風阻上升
• 風扇老化、轉速降低
• 導熱墊老化、壓力鬆動
• 製程差：Rds(on)、Vf、漏電、效率差造成 P 變大
工程做法（直覺版）：
- 用最壞 Ta
- 用最大 P（包含效率最差、負載最大、啟動/短路保護期間）
- 用較差的散熱能力（風扇慢、灰塵、TIM 老化）
- 算出 Tj 仍要低於 Tj,max 留安全距離（例如留 15°C～30°C 以上的裕量）
🧠 八、熱設計工作流（現場可直接用）
Step 1：先抓功耗
• Pconduction、Pswitching、線性耗散、啟動/短路期間的瞬態耗散
Step 2：畫熱阻鏈
• 哪一段是瓶頸？RθJC、RθCS、RθSA、或 PCB 的擴散？
Step 3：先算穩態再看瞬態
• Tj,steady ≈ Ta + Pavg·RθJA
• ΔT,pulse ≈ Ppulse·Zθ(t)
Step 4：用設計把瓶頸打掉
• TIM、散熱片、風扇、PCB via、布局分散、降低線性區時間、提高效率
Step 5：驗證（量測比你想像更重要）
• 熱電偶貼點位置要對（Case 不等於 Junction）
• IR 熱像要注意 emissivity（放射率）與反光
• 盡量用“相同風道/機箱/擺放”做系統級測試
🧪 電子學實驗題（93/120）
實驗名稱
熱阻鏈實測：Rθ、Zθ(t)、散熱片/風扇/TIM/PCB via 對結溫的影響（工程化完整版）
🎯 實驗目的
- 用量測建立“功耗 → 溫升”的直覺
- 分離熱阻鏈：比較 RθJA、RθCS、RθSA 的改善效果
- 觀察瞬態：短脈衝 vs 長時間的溫升差（Zθ(t) 概念）
- 練習 derating：在不同 Ta 下推估 Tj 裕量
🧰 實驗器材
• 功率元件（MOSFET 或功率電阻作為可控熱源）
• DC 電源（可調電壓/電流）
• 溫度量測：熱電偶（K-type）或 IR 熱像儀（擇一即可）
• 散熱片（至少兩種大小）
• 風扇（可有可無，建議準備）
• TIM：熱墊或導熱膏（至少一種）
• PCB（若可）：有無 via array 的對照板更佳
🔧 實驗接線概念（用功率電阻當熱源最直觀）
Vin → [功率電阻/熱源] → GND
量測：
• P = V·I（用表/示波器量 V、I）
• 溫度：貼在熱源封裝表面（Case）或 PCB 背面熱點
🔧 實驗步驟
A) 穩態 RθJA 估算（無散熱片）
- 設定固定功耗 P1（例如 1W 或 2W，依元件能力）
- 等溫度穩定（溫升趨於平坦）
- 記錄 Ta、Tcase
- 估算 Rθ(粗略)：Rθ ≈ (Tcase − Ta)/P1
觀察：功耗加倍，穩態溫升近似加倍（若環境不變）
B) 加入散熱片（比較 RθSA 的下降）
- 同樣功耗 P1
- 只加散熱片（無風扇）測一次
- 加風扇再測一次 觀察：風扇通常讓散熱片“效能大跳一級”
C) TIM 影響（比較接觸熱阻 RθCS）
- 散熱片固定
- 分別用：無 TIM / 導熱墊 / 導熱膏
- 同功耗 P1 對比穩態溫升 觀察：TIM 做不好，散熱片再大也沒用（熱卡在介面）
D) 瞬態 Zθ(t) 直覺（短脈衝 vs 長時間）
- 設定較高功耗 P2，但只打 100ms 或 1s
- 觀察溫升的“上升速度”與“峰值”
- 再改成持續更久（例如 10s 或 60s） 觀察：短時間看似安全，延長後會逐步逼近穩態溫升
❓思考問題（5 題）＋解析
問題 1：為什麼同樣功耗，散熱片在有風扇時效果差很多？
解析：風扇提升對流換熱係數，等同大幅降低 RθSA；散熱片若沒有有效氣流，鰭片表面換熱有限。
問題 2：為什麼加了大散熱片還是燙？
解析：常見瓶頸是 RθCS（接觸/介面熱阻）或 RθJC（封裝內部）；熱還沒到散熱片就被卡住。
問題 3：為什麼瞬態測試看起來很安全，長時間卻出事？
解析：短時間由熱容 Cth 扛住，Zθ(t) 很小；時間拉長 Zθ(t) 上升，溫升逐步逼近穩態由 Rθ 決定的結果。
問題 4：為什麼熱像儀有時看起來溫度不準？
解析：放射率（emissivity）與反光會造成誤差；亮面金屬容易讀到“假溫度”。最好貼黑膠帶或用已知放射率的表面校正。
問題 5：derating 的核心精神是什麼？
解析：用最壞環境與最差條件設計仍能活（Ta 高、風道差、老化、製程差、效率差），並留足 Tj 裕量，避免現場一點變化就爆。
🧠 工程結論
熱管理不是“補救”，而是“設計的一部分”。
你要把功耗、熱阻鏈、瞬態熱容、環境與老化一起納入：
👉 先算得出 Tj，再設計把瓶頸打掉，最後用實測驗證與 derating 留裕量。
只要你把熱設計做對，SOA、可靠度與壽命才會真的站得住。
