一@@、基础知识@@
100J的@@能量@@可使@@100g水的@@温度升高约@@0.24℃。这并不是@@通过@@升高水的@@温度消耗了@@100J的@@能量@@。而@@是@@在@@水中作为热能保存了起来@@。
能量既不会凭空消失@@，也绝不会凭空产生@@。这就是@@最重要@@“能量守恒定律@@”。
℃是@@温度单位@@@@。温度是@@指像能量密度一@@样的@@物理量@@。它只不过是@@根据能量的@@多少表现出来的@@一@@种现象@@。即使能量相同@@，如果集中在@@一@@个狭窄的@@空间@@内@@，温度就会升高@@，而@@大范围分散时@@@@，温度就会降低@@。
电子@@产品接通电源后@@一@@段时@@间内@@，多半转换的@@热能会被用于提高@@装置自身的@@温度@@，而@@排出的@@能量@@仅为少数@@。之后@@@@，装置温度升高一@@定程度时@@@@，输入的@@能量@@与@@排出的@@能量@@必定一@@致@@。否则温度便会无止境上@@升@@。
热量@@的@@传递有导热@@@@，对流换热@@及辐射换热三种方式@@。在@@终端设备@@散热@@过程中@@，这三种方式都有发生@@。三种传热方式传递的@@热量@@分别由以下公式计算@@
其中@@λ、α 、ε分别为导热@@系数@@，对流换热@@系数及表面@@的@@发射率@@，A是@@
换热面积@@。
热设计@@的@@目的@@@@：
采用@@适当@@可靠的@@方法控制产品内部所有电子@@元器件的@@温度@@，使其所处的@@工作环境条件下不超过稳定运行要求的@@最高温度@@，以保证产品正常运行的@@安全性@@，长期运行的@@可靠性@@。
耗散的@@热量@@决定了温升@@@@，因此@@也决定了给定器件的@@温度@@；
热量@@以导热@@@@，对流及辐射传递出去@@，每种形式传递的@@热量@@与@@其热阻@@成反比@@；
热量@@、热阻@@和@@温度是@@设计中的@@重要参数@@。
温升@@：元器件温度与@@环境温度的@@差@@
热耗@@：元器件正常运行时@@产生的@@热量@@@@。热耗@@不等@@同于功耗@@。
热流密度@@：单位@@面积上@@的@@传热量@@@@，单位@@W/m。l热阻@@：热量@@在@@热流路径上@@遇到@@的@@阻力@@，反映介质或@@介质间的@@传热能力大小@@。
Rja，元器件的@@热源结@@构@@(junction)到@@周围冷却空气@@(ambient)的@@总热阻@@@@。
Rjc，元器件的@@热源结@@到@@封装外壳间的@@热阻@@@@@@。
Rjb，元器件的@@结@@与@@@@PCB板间的@@热阻@@@@@@。
常见的@@散热@@方式@@：
自然对流换热@@@@
通过@@自然对流的@@方式冷却@@，不必使用风扇@@，主要通过@@空气受热膨胀产生的@@浮升力使空气不断流过发热表面@@@@，实现散热@@@@。这种换热方式不需要任何辅助设备@@@@，成本低@@。
强迫对流换热@@@@－风扇冷却@@
主要有吹风与@@抽风两种方式@@
为什么要关注@@“热设计@@”？
器件极限温度承受能力是@@高压线@@，超过后@@失效率剧增@@，使用中不允许超过@@。在@@极限温度以内@@，器件失效率与@@温度仍然强相关@@，失效率随着温度升高而@@增加@@。
是@@否存在@@一@@个安全温度点@@，只要不超过这个温度点@@，失效率与@@温度就不密切@@？
理论与@@实际表明@@，多数情况下不存在@@这样的@@温度点@@。
1、热量@@传递的@@三种基本方式@@
导热@@
物体各部分之间@@不发生相对位移时@@@@，依靠分子@@、原子及自由电子@@等@@微观粒子的@@热运动而@@产生的@@热量@@称为导热@@@@。例如@@，固体@@内部的@@热量@@传递和@@不同固体@@通过@@接触面的@@热量@@传递都是@@导热@@现象@@。芯片向壳体外部传递热量@@主要就是@@通过@@导热@@@@。
导热@@过程中传递的@@热量@@按照@@Fourier导热@@定律计算@@：
傅立叶定律是@@法国著名科学家傅立叶在@@@@1822年提出的@@一@@条热力学定律@@。该定律指在@@导热@@过程中@@，单位@@时@@间内通过@@给定截面的@@导热@@量@@，正比于垂直于该截面方向上@@的@@温度变化率和@@截面面积@@，而@@热量@@传递的@@方向则与@@温度升高的@@方向相反@@。
傅立叶定律是@@热传导的@@基础@@。它并不是@@由热力学第一@@定律导出的@@数学表达式@@，而@@是@@基于实验结@@果的@@归纳总结@@@@，是@@一@@个经验公式@@。同时@@@@，傅立叶定律是@@定义材料的@@一@@个关键物性@@，热导率的@@一@@个表达式@@。
另外@@，如上@@所述@@，傅立叶定律是@@一@@个向量表达式@@。热流密度@@是@@垂直于等@@温面的@@@@，并且是@@沿着温度降低的@@方向@@。傅立叶定律适用于所有物质@@，不管它处于什么状态@@（固体@@、液体或@@者气体@@）。
一@@般说@@，固体@@的@@导热@@系数大于液体@@，液体的@@大于气体@@。例如@@：常温下纯铜的@@导热@@系数高达@@400 W/(m*℃） ，纯铝的@@导热@@系数为@@236W/(m*℃），水的@@导热@@系数为@@0.6 W/(m*℃），而@@空气仅为@@0.025W/(m*℃）左右@@。铝的@@导热@@系数高且密度低@@，所以散热@@器基本都采用@@铝合金加工@@，但在@@一@@些@@大功率芯片散热@@中@@，为了提升散热@@性能@@，常采用@@铝散热@@器嵌铜块或@@者铜散热@@器@@。
对流换热@@
对流换热@@是@@指运动着的@@流体流经温度与@@之不同的@@固体@@表面@@时@@与@@固体@@表面@@之间@@发生的@@热量@@交换过程@@，这是@@通信设备@@散热@@中中应用最广的@@一@@种换热方式@@。根据流动的@@起因不同@@，对流换热@@可以分为强制对流换热@@和@@自然对流换热@@@@两类@@。前@@者是@@由于@@泵@@、风机或@@其他外部动力源所造成的@@@@，而@@后@@者通常是@@由于@@流体自身温度场的@@不均匀性造成不均匀的@@密度场@@，由此产生的@@浮升力成为运动的@@动力@@。机柜中通常采用@@的@@风扇冷却@@散热@@就是@@最典型的@@强制对流换热@@@@。在@@终端产品中主要是@@自然对流换热@@@@@@。自然对流散热@@分为大空间@@自然对流@@（例如@@终端外壳和@@外界空气间的@@换热@@）和@@有限空间@@自然对流@@（例如@@终端内的@@单板和@@终端内的@@空气@@）。值得注意的@@是@@@@，当@@终端外壳与@@单板的@@距离小于一@@定值时@@@@，就无法形成自然对流@@，例如@@手机的@@单板与@@外壳之间@@就只是@@以空气为介质的@@热传导@@。
对流换热@@的@@热量@@按照牛顿冷却定律计算@@
热辐射@@
塑料外壳表面@@喷漆@@，PWB表面@@会涂敷绿油@@，表面@@黑度都可以达到@@@@0.8，这些都有利于辐射散热@@@@。对于金属@@外壳@@，可以进行一@@些@@表面@@处理来提高@@黑度@@，强化散热@@@@。对辐射散热@@一@@个最大错误认识是@@认为黑色可以强化热辐射@@@@，通常散热@@器表面@@黑色处理也助长了这种认识@@。实际上@@物体温度低于@@1800℃时@@，有意义的@@热辐射@@波长位于@@0.38~100μm之间@@，且大部分能量位于红外波段@@0.76~20μm范围内@@，在@@可见光波段内@@，热辐射@@能量比重并不大@@。颜色只与@@可见光吸收相关@@，与@@红外辐射无关@@，夏天人们穿浅色的@@衣服降低太阳光中的@@可见光辐射吸收@@。因此@@终端内部可以随意涂敷各种颜色的@@漆@@。
2、热阻@@的@@概念@@
对导热@@和@@对流换热@@的@@公式进行变换@@：
热量@@传递过程中@@，温度差是@@过程的@@动力@@，好象电学中的@@电压@@，换热量@@是@@被传递的@@量@@，好像电学中的@@电流@@，因而@@上@@式中的@@分母可以用电学中的@@电阻概念来理解成导热@@过程的@@阻力@@，称为热阻@@@@（thermal resistance），单位@@为@@℃/W, 其物理意义就是@@传递@@1W 的@@热量@@需要多少度温差@@。在@@热设计@@中将热阻@@标记为@@R或@@θ。δ/(λA)是@@导热@@热阻@@@@， 1/αA是@@对流换热@@热阻@@@@。器件的@@资料中一@@般都会提供器件的@@@@Rjc和@@Rja热阻@@，Rjc是@@器件的@@结@@到@@壳的@@导热@@热阻@@@@；Rja是@@器件的@@结@@到@@壳导热@@热阻@@和@@壳与@@外界环境的@@对流换热@@热阻@@之和@@@@。这些热阻@@参数@@可以根据实验测试获得@@，也可以根据详细的@@器件内部结@@构计算得到@@@@。根据这些热阻@@参数@@和@@器件的@@热耗@@@@，就可以计算得到@@器件的@@结@@温@@。
下图形象地表达了欧姆定律@@，类比欧姆定律@@，热差类比于电压@@，热阻@@类比于电阻@@，热耗@@类比于电流@@。
两个名义上@@相接触的@@固体@@表面@@@@，实际上@@接触仅发生在@@一@@些@@离散的@@面积元上@@@@，如右图所示@@，在@@未接触的@@界面之间@@的@@间隙中常充满了空气@@，热量@@将以导热@@和@@辐射的@@方式穿过该间隙层@@，与@@理想中真正完全接触相比@@，这种附加的@@热传递阻力称为接触热阻@@@@。降低接触热阻@@的@@方法主要是@@增加接触压力和@@增加界面材料@@（如硅脂@@）填充界面间的@@空气@@。在@@涉及热传导时@@@@，一@@定不能忽视接触热阻@@的@@影响@@@@，需要根据应用情况选择合适的@@导热@@界面材料@@，如导热@@脂@@、导热@@膜@@、导热@@垫等@@@@。
二@@、器件热特性@@
1、认识器件热阻@@@@
JEDEC芯片封装的@@热性能参数@@@@：
热阻@@参数@@
θja，结@@（即芯片@@）到@@空气环境的@@热阻@@@@@@：θja=(Tj-Ta)/P
θjc，结@@（即芯片@@）到@@封装外壳的@@热阻@@@@@@：θjc=(Tj-Tc)/P
θjb，结@@（即芯片@@）到@@PCB的@@热阻@@@@：θjb=(Tj-Tb)/P
热性能参数@@
ψjt，结@@到@@封装顶部的@@热参数@@：ψjt =(Tj-Tt)/P
ψjb，结@@到@@封装底部的@@热参数@@：ψjb =(Tj-Tb)/P
Tj——芯片结@@温@@，℃
Ta——空气环境温度@@，℃
Tb——芯片根部@@PCB表面@@温度@@，℃
Tt——芯片表面@@温度@@@@，℃
θja 热阻@@参数@@是@@封装的@@品质度量@@(Figure of Merit)，并非@@Application-specific，θja的@@正确的@@应用只能是@@芯片封装的@@热性能品质参数@@（用于性能好坏等@@级的@@比较@@），不能应用于实际测试@@/分析中的@@结@@温预计分析@@。从@@90年代起@@，相对于@@θja人们更需要对实际工程师预计芯片温度有价值的@@热参数@@。适应此要求而@@出现三个新参数@@：θjb 、ψjt和@@ψjb 。
ψjb可适当@@的@@运用于热分析中的@@结@@温分析@@
ψjt可适当@@运用于实际产品热测试中的@@结@@温预计@@。
θjc是@@结@@到@@封装表面@@离结@@最近点的@@热阻@@@@值@@。
θjc测量中设法使得热流@@“全部@@”由封装外壳通过@@@@。
ψjt与@@θjc完全不同@@，并非@@是@@器件的@@热阻@@@@值@@，只是@@个数学构造物@@，只是@@结@@@@
到@@TOP的@@热特征参数@@@@，因为不是@@所有热量@@都是@@通过@@封装顶部散出的@@@@。
实际应用中@@， ψjt对于由芯片封装上@@表面@@测试温度来估计结@@温有有限的@@@@
参考价值@@。
θjb :用来比较装于板上@@表面@@安装芯片封装热性能的@@品质参数@@(Figure
of Merit)，针对的@@是@@@@2s2p PCB，不适用板上@@有不均匀热流的@@芯片封装@@。
θjb与@@ψjb有本质区别@@， θjb ＞ ψjb 。与@@ψjt同理@@， ψjb为结@@到@@@@PCB的@@
热特征参数@@。
不同封装的@@热特性@@
2、典型器件封装散热@@特性@@
普通@@SOP封装散热@@性能很差@@，影响@@SOP封装散热@@的@@因素@@分外因和@@内因@@，其中@@内因是@@影响@@@@SOP散热@@的@@关键@@。影响@@散热@@的@@外因是@@器件管脚与@@@@PWB的@@传热热阻@@和@@器件上@@表面@@与@@环境的@@对流散热@@热阻@@@@。内因源于@@SOP封装本身很高传热热阻@@@@。SOP封装散热@@主要通过@@三个途径@@：
1)die的@@热量@@通过@@@@封装材料@@（mold compound）传导到@@器件上@@表面@@然后@@对流散热@@@@，低导热@@的@@封装材料影响@@传热@@。
2)die热量@@通过@@@@pad、封装材料和@@器件底面与@@@@PWB之间@@的@@空气层后@@@@，递到@@@@PWB散热@@，低导热@@的@@封装材料和@@空气层影响@@传热@@ 。
3)die热量@@通过@@@@lead Frame传递到@@@@@@PWB，lead frame和@@die之间@@是@@极细的@@键合线@@（golden wire），因此@@die和@@leadframe之间@@存在@@很大的@@导热@@热阻@@@@，限制了管脚散热@@@@。
该封装的@@特点是@@@@die采用@@cavity up方式布置@@，pad从@@封装底部外露@@，并焊接@@
在@@PWB表面@@；或@@者在@@@@pad底部粘结@@一@@个金属@@块@@，该金属@@@@块外露于封装底部@@，并焊接@@在@@@@PWB表面@@。die的@@热量@@通过@@@@金属@@直接传递到@@@@@@@@PWB上@@，消除了原先的@@封装材料和@@空气层的@@热阻@@@@@@。
该封装相当@@与@@把底部增强散热@@型@@SOP封装倒置过来贴装到@@单板上@@@@。由于@@裸露在@@芯片上@@表面@@的@@@@pad面积很小@@，除了起到@@均匀@@die温度的@@作用外@@，实际直接散热@@的@@性能很差@@，一@@般还需要与@@散热@@器结@@合来强化散热@@@@@@。如果芯片表面@@不安装散热@@器@@，该金属@@@@pad的@@主要作用是@@把@@die传来的@@热量@@扩展开来@@，再传递给芯片内部的@@管脚@@，最后@@通过@@管脚把热量@@传递给@@PWB散热@@，金属@@pad起到@@缩短@@die和@@管脚间传热热阻@@的@@作用@@。
影响@@PBGA Rjc和@@Rja热阻@@的@@因素@@有很多@@，从@@重要程度看依次是@@@@：
1）thermal ball的@@个数@@
2）die的@@尺寸@@
3）substrate的@@结@@构@@，包括铜皮层数@@，铜皮厚度@@
4）die attachment 材料的@@导热@@系数@@
5）gold wire的@@直径@@
6）PWB上@@导热@@过孔@@@@的@@数量@@。
其中@@，前@@5个因素@@与@@器件本身的@@设计相关@@@@，因素@@6与@@PWB设计相关@@
一@@些@@PBGA芯片在@@表面@@贴铜块强化散热@@@@@@，由于@@mold的@@导热@@系数很低@@，该金属@@@@封装表面@@仍为辅助散热@@@@，关键散热@@路径仍在@@封装的@@底部@@。
需要了解器件内部的@@封装结@@构选择散热@@方案@@！
热量@@传递方式@@：
Die的@@热量@@传递给上@@表面@@的@@铜块@@，部分热量@@通过@@@@铜块传递到@@@@@@环境中@@；另外@@部分@@
热量@@通过@@@@铜块依次传递给芯片的@@基板@@、焊球@@、PCB后@@，通过@@PCB散热@@。
当@@FC－BGA封装热耗@@在@@@@1～6W时@@，可以采用@@直接强迫对流散热@@@@，Rja的@@范围在@@@@8～12℃/W；当@@热耗@@在@@@@4～10W时@@，需要加散热@@器强化散热@@@@@@，Rja的@@范围在@@@@5～10℃/W；当@@热耗@@为@@8～25W时@@，需要高端的@@散热@@器配合合适的@@风道来进行强化散热@@@@@@。
TO器件的@@散热@@往往需要较大的@@的@@铜皮@@，那么对于面积紧张的@@单板如何来实现@@？
按重要程度依次为@@：
1）过孔@@
2）单板的@@层结@@构@@（地层或@@者电源层的@@位置@@）
3）地层或@@者电源层的@@铜皮厚度@@@@
4）焊盘厚度@@
对于电子@@设备@@来说@@，工作时@@都会产生一@@定的@@热量@@@@，从@@而@@使设备@@内部温度迅速上@@升@@，如果不及时@@将该热量@@散发出去@@，设备@@就会持续的@@升温@@，器件就会因过热而@@失效@@，电子@@设备@@的@@可靠性能就会下降@@。因此@@，对电路板进行很好的@@散热@@处理是@@非常重要的@@@@。
加散热@@铜箔和@@采用@@大面积电源地铜箔@@。
根据上@@图@@可以看到@@@@：连接铜皮的@@面积越大@@，结@@温越低@@
根据上@@图@@，可以看出@@，覆铜面积越大@@，结@@温越低@@。
热过孔@@@@
热过孔@@@@能有效的@@降低器件结@@温@@，提高@@单板厚度方向温度的@@均匀性@@，为在@@@@ PCB 背面采取其他散热@@方式提供了可能@@。通过@@仿真发现@@，与@@无热过孔@@@@相比@@，在@@器件热功耗为@@ 2.5W 、间距@@ 1mm 、中心设计@@ 6x6 的@@热过孔@@@@能使结@@温降低@@ 4.8°C 左右@@，而@@ PCB 的@@顶面与@@底面的@@温差由原来的@@@@ 21°C 减低到@@@@ 5°C 。热过孔@@@@阵列改为@@ 4x4 后@@，器件的@@结@@温与@@@@ 6x6 相比升高了@@ 2.2°C ，值得关注@@。
IC背面露铜@@，减小铜皮与@@空气之间@@的@@热阻@@@@@@
3、单板器件的@@散热@@途径@@
好的@@电路板板散热@@方案必须针对器件的@@散热@@特性进行设计@@
THD器件的@@管脚数量少@@，焊接后@@封装也不紧贴单板@@，与@@单板的@@热关联性很小@@，该类器件的@@热量@@都是@@通过@@器件表面@@散到@@环境中@@。因此@@早期的@@器件散热@@研究@@
比较注重于器件表面@@的@@空气流动@@，以期获得比较高的@@器件表面@@对流换热@@系数@@。
SMD器件集成度高@@，热耗@@也大@@，是@@散热@@关注的@@重点@@。该类器件的@@管脚@@/焊球@@数量多@@，焊接后@@封装也紧贴单板@@，与@@单板建立起紧密的@@换热联系@@，散热@@方案必须从@@单板整体散热@@的@@角度进行分析@@。SMD器件针对散热@@需求也出现了多种强化散热@@@@的@@封装@@，这些封装的@@种类繁多@@，但从@@散热@@角度进行归纳分类@@，以引脚封装和@@焊球@@封装最为典型@@，其它封装的@@散热@@特性可以参考这两种类推@@。
PGA类的@@针状管脚器件基本忽略单板散热@@@@，以表面@@散热@@为主@@，例如@@CPU等@@。
