元件接觸面的熱傳與模擬

念小學應該就有聽過熱量的傳遞就是傳導、對流跟輻射三種，
小學階段基本上都還不會有涉及到計算的部份。

上了國高中會再學過比熱，
這時候就會真的使用物體質量、比熱、熱量進行溫升的計算。

上了大學在理工學院大一的普通物理，
應該就會有機會教到熱傳導、對流、輻射要如何計算，
但是真的要有在計算算熱傳導、熱對流、熱輻射，
通常還是要在比較專業的課程中才會學到；
例如像機械系的熱傳學，就是一整個學期的課程，
在各大學的開放課程中都很容易可以查到這一門課程的資料，
例如清華大學放在網路上王訓忠教授的熱傳學，
網頁上有影音、講義可以看跟下載，有興趣的可以看看；
其他的理工醫農學科也多少會講一點或放在選修課程中。

實務上，有關熱傳的應用現在已經很少用手算，
主要原因就是形狀複雜，人去算很困難，都是作模擬比較多。

拜電機、電子行業興盛，用電產生的熱問題對產品可靠性跟壽命會有很大的影響，
所以電子產品很少不作熱模擬的，
差別在花錢買軟體自己作或請別人作兩種狀況 ;
因此電子產品的散熱模擬甚至特化成CFD的一專門領域，
像Flowtherm、NX ESC(Electronic System Cooling)、ANSYS Icapak都是專門針對電子產品作散熱模擬的CAE軟體；
Autodesk CFD有一部分功能也是在主打電子設備模擬；
6 SigmaET的代理商也費很多心力在電子產品的熱模擬上；
可見這一塊市場有多大，
之前也在台大機械所上了孫珍理老師開了一學期的電子設備熱傳，學到一些概念，最後期末要報告一份電子設備的散熱模擬；
另外有一篇文章作分享：有關電子設備散熱模擬的分享。

回頭來看在模擬過程中，熱傳的設定一樣會分成傳導、對流、輻射三種相關的設定。

實務應用上熱傳的能量傳遞會視狀況而有不同的(傳導、對流、輻射)比例，
例如：
在低溫下，輻射的比例不高，以傳導跟對流為主。
在真空環境下，對流的比例幾乎是零。
在有強制流動的流體環境中，對流的效應就很高。

所以在模擬時，就會因為不同的需求使用不同的手法，
像很多結構分析軟體其實也有提供熱模擬功能，
例如像Nastran、ANSYS、Abaqus、Algor(Autodesk Simulation Mechanical)、Nastran In CAD等等；
熱傳導部分就是利用固體材料性質的熱傳導率，W/mm-K；
熱對流通常會使用邊界條件的對流係數，W/mm^2-K；
輻射可使用邊界條件中相對環境溫度的吸收率、輻射率，K、%；
透過上述的設定也可以模擬一些熱傳的狀況，
尤其能量是以傳導為主要傳遞方式的溫度分佈模擬，模擬效果其實也都還不錯。

到了更專業的CFD軟體，就可以拿掉對流係數改以流體取代熱對流的模擬，
好處是可以考慮到更多自然對流流動與重力效應的影響等等。

至於輻射的部份就很難說，有的軟體會算環境輻射(物體對環境)，有的會加算體輻射(物體對物體)，
都會產生不同的能量傳遞效應而影響到溫度分佈。

在這些模擬設定條件中，經常被忽略而且實務上也不好處理的情況是組合件的"熱接觸"設定。

熱接觸的概念是在兩元件接觸面上的熱阻，K-mm^2/W，
看單位有點像是面熱傳導率的倒數，
從單位來看就是每溫度差與單位面積允許通過的熱量，
若沒有設定在接觸面上的熱阻，軟體通常會當作沒有限制，
熱的傳導在介面上沒有任何阻礙，
只會受到兩端物體的熱傳導係數影響。

實務上兩個固體介面上會有一層薄薄的空氣阻礙熱傳導，
因此不設熱接觸其實是不合理的；
這一層空氣的厚度跟元件的表面粗糙度等等眾多因素有關，
如果在成本考量可以接受，或者是熱傳影響重大，
就會在介面上塗散熱膏或貼散熱片消除介面上的空氣；
除非散熱膏(片)的熱傳導性很好，
相對兩端金屬材料的熱傳導率通常會比較高，
散熱膏或散熱片的厚度應該是越薄越好，只要能消除空氣層就好。

在Autodesk CFD上，之前就有一個情況是若在元件接觸面上沒有設熱阻，
計算結果中就無法顯示出該介面上的熱通量(顯示為0)，
印象中這個狀況到2016版都沒有修改過來，
我測試在2018版這個問題就已經修正過來。

多數的熱模擬中經常會先忽略熱接觸的設定，
在比對跟實際結果的溫度分佈差異後，
再決定要在那些接觸位置加上熱接觸的條件。

熱接觸的設定跟其他條件一樣會影響到溫度分佈的結果，
有設定會比沒設定來的更接近真實狀況。

左圖有在LED燈板跟鋁塊之間加入熱接觸(熱阻)，LED登板溫度明顯比右圖沒有加熱接觸的高；
另外像散熱鰭片跟鋁塊間也有加入熱接觸，很明顯可以看到散熱鰭片的溫度比右圖低，
表示右側的熱在元件之間沒有熱阻，可以很快就傳到旁邊的元件，
實務上一定要上一層很薄的導熱膏才有可能將熱量很快傳到旁邊的元件。