随着电子@@产品@@小型化@@@@、智能化@@、多样化的@@发展@@，给产品热设计@@带来了更严峻的@@挑战@@。一方面@@，随着边缘计算和@@人工智能@@的@@发展@@，让算力更为密集@@；另一方面@@@@，随着双碳目标迫近@@，对于功率等级要求也持续提高@@@@；因此@@单一设备@@的@@功率密度正在@@不断攀升@@，热功率也相应的@@随之提高@@@@，而热设计@@也就受到了越来越多的@@关注@@。
热设计@@的@@必要性和@@挑战@@
所谓热设计@@@@（Thermal Design），是指在@@工程设计中考虑和@@优化热传导@@、热辐射和@@热对流等热学因素的@@过程@@。它主要涉及如何有效地管理和@@控制热量@@，以确保设备@@@@、系统或@@产品在@@运行时能够正常工作并满足性能要求@@。
热设计@@通常应用于各种领域@@，包括电子@@设备@@@@、汽车@@、航空航天@@、能源系统等@@。在@@这些应用中@@，热设计@@的@@目标是防止过热或@@过冷@@，维持适当的@@工作温度范围@@，以避免设备@@损坏@@、性能下降或@@故障@@。
图@@1：电子@@产品@@热设计@@的@@重要性@@（图@@源@@：GEC研究院@@）
如上图@@所示@@，从芯片@@角度来看@@，根据@@GEC研究院@@的@@数据@@，节点寿命会随着节点温度提升而大幅降低@@，失效率加速@@。从系统角度来看@@，根据@@美国空军航空电子@@整体研究项目的@@结论@@，55%的@@设备@@故障原因来自于温度因素@@。
因此@@温度可以说是电子@@设备@@的@@第一大杀手@@，设备@@的@@电气性能和@@热分布会相互影响@@：温度过高会导致电子@@产品@@的@@绝缘性能退化@@，电阻降低@@，材料老化@@；像处理器@@、变压器等芯片@@@@，高温会使其性能下降@@；进一步的@@高温会造成元器件功能失效@@。
不良的@@热设计@@会导致系统内部产生更多高电流浪涌@@，导致系统中被引入了主要芯片@@之外的@@额外热源@@。为了处理好这些不利热点的@@影响@@，保证产品的@@稳定运行@@，就不得不额外增加温度控制功能@@，从而增加了额外的@@能耗@@。做好热设计@@@@，不但能让产品更稳定@@，也是系统节能的@@关键一环@@。
热设计@@软件制造商@@Future Facilities（已于@@2022年被@@Cadence收购@@）的@@研究发现@@，新的@@热设计@@重点将主要由人工智能@@@@、物联网@@@@、5G和@@边缘计算等技术@@推动@@。Future Facilities产品经理@@Chris Aldham曾表示@@：
过去几年技术@@的@@进步导致工程师看待热设计@@的@@方式发生了前所未有的@@变化@@。人工智能@@、5G、边缘计算和@@物联网@@@@的@@引入都对电子@@产品@@的@@运行方式和@@地点产生了重大影响@@，而这反过来又意味着从热学角度需要考虑一系列新的@@因素@@。
图@@2：电源系统性能和@@热管理息息相关@@（图@@源@@：Molex)
当前对于电子@@产品@@而言@@，热设计@@的@@挑战来自方方面面@@。
1. 小型化@@
小型化@@带来的@@计算密度和@@功率密度的@@提升@@，而且小型化@@同时也就意味着需要尽量采用无风扇或@@者小型风扇的@@设计@@，这直接对于系统散热设计@@提出了更高的@@要求@@。
2. 信号传输@@
系统中的@@信号处理速度越来越快@@，这种高速信号的@@传输和@@处理也会产生更多的@@热量@@。
3. 屏蔽设计@@
当前的@@系统中@@，为了保证信号的@@完整性会采用更多的@@屏蔽设计@@@@，这种屏蔽设计@@本身对于散热就产生了不利的@@影响@@。
而上述提到的@@挑战仅仅来自于设备@@内部@@，还有更过设备@@外部环境因素需要考虑@@：像数据中心@@、储能站等设备@@排布密集的@@工作环境@@，各个设备@@之间相互的@@热辐射就很大@@；而一些高海拔地区的@@设备@@@@，由于工作环境空气稀薄@@，因此@@对于设备@@散热要求也就更高@@。
再深入到芯片@@设计@@的@@领域来看热量管理的@@挑战@@：为了维持单位面积上算力的@@提升@@，3D封装芯片@@成为芯片@@设计@@的@@必然趋势@@。而这种@@3D堆叠的@@结构会产生高热阻@@，且在@@不同芯片@@功耗不均匀情况下更易导致热点@@、高温梯度和@@热应力等热问题@@。硅通孔@@(TSV)被认为是降低@@3D IC温度的@@有效手段@@，因此@@被广泛使用@@。
图@@3：3D封装芯片@@内部金属互联结构的@@温度分布图@@@@（图@@源@@：Cadence)
传统上来说热设计@@是一门小众的@@细分领域@@，通常是由具备@@热传递知识背景的@@机械工程师@@，为所有的@@业务部门提供热设计@@服务@@。
在@@那时候热设计@@更多和@@机械部分相关@@，和@@电子@@部分是分开独立进行的@@@@。而在@@现在@@@@，随着设备@@越来越小型化@@和@@高功能化@@，热设计@@与整个系统的@@性能和@@可靠性表现愈发密切@@，需要从产品的@@原型设计阶段就进行热设计@@的@@考量@@。热设计@@工程师除了必备@@热知识背景外@@，还应具备@@机械@@、电气和@@电子@@背景@@，能够熟练使用@@EDA设计工具和@@各种仿真工具@@，与电子@@设计团队并行进行热设计@@@@。
图@@4：各设计部门共同减少发热量@@，减少试生产次数@@（图@@源@@：ROHM Semiconductor)
好的@@热设计@@@@，从选型开始@@
芯片@@厂商同样需要重视热量管理@@，通过优化芯片@@热性能可以实现整个系统功率密度的@@突破@@。
1. 工艺制程创新@@
首先是通过工艺制程的@@创新来增强热性能@@。例如在@@减少芯片@@体积的@@同时尽量减少功率器件的@@导通电阻@@；或@@通过新的@@工艺节点来优化引脚布局并提供额外接地等@@。
2. 芯片@@设计@@
其次在@@芯片@@设计@@方面@@，可以将温度监控功能集成到关键芯片@@的@@内部@@，通过高效的@@开关来实现不同工作负载下的@@动态调节@@，为高度集成的@@电路设计实现更高的@@功率@@。在@@封装方面@@，可以通过创新的@@封装方式@@，例如加大引脚面积@@、优化引脚材质和@@设计等@@，来实现芯片@@更高的@@散热效率@@。
3. 方案设计@@
从方案设计@@角度来看@@，要优化整个系统的@@热传导路径@@。例如像一些顶部散热功率芯片@@@@，近年来也逐渐流行@@，选择此类芯片@@能够减少热量向@@PCB的@@直接传导@@，通过芯片@@顶部直接将热量辐射或@@传导到设备@@外壳外@@。
图@@5：Apple申请的@@自适应热控制系统专利@@（图@@源@@：https://appft1.uspto.gov)
总体而言@@，好的@@热设计@@@@需要从系统整体来考虑@@，从芯片@@选型的@@阶段就将热设计@@目标考虑在@@内@@。芯片@@、连接器和@@@@PCB都要根据@@整体的@@热指标来进行选择或@@设计@@，其中连接器等接插件的@@好坏对热设计@@非常重要@@，选择具有良好热管理的@@连接器@@芯片@@@@，能够直接帮助优化整个系统的@@热设计@@@@。
接下来@@，就为大家推荐几款来自@@Molex的@@具有优秀热设计@@特点的@@连接器@@产品@@。
首先在@@电源连接器的@@选择上@@，可以考虑@@Molex的@@PowerWize大电流互连系统@@。这是一款大电流线对板@@/线对母线互连系统@@，双电路插头和@@插座外壳提供两种尺寸@@：6mm（额定电流高达@@120A）和@@8mm（额定电流高达@@175A）。
热设计@@方面的@@优势在@@于该器件采用低接触电阻和@@低压降设计@@，极大限度地减少了触点接口的@@热量生成@@。此外@@，更高的@@额定电流和@@更紧凑的@@外形设计@@，也就意味着该器件能够支持更高功率密度的@@产品设计@@。
图@@6：Molex的@@PowerWize大电流互连系统@@（图@@源@@：贸泽电子@@@@)
对于热设计@@而言@@，热敏电阻是必不可少的@@热管理器件之一@@。Molex提供的@@@@NTC热敏电阻探头@@采用了独特的@@柔性设计@@，能够适用于在@@难以触及的@@位置提供准确的@@温度读数@@。
此外@@，该器件提供了高达@@1.5KVAC的@@介电耐压@@，能够持续@@3秒@@；在@@500VDC时能够实现高达@@100MΩ的@@绝缘电阻@@；正常工作温度范围支持@@-40°C至@@250°C。良好的@@抗高压和@@宽广的@@温度范围支持其在@@任何严苛的@@设计中正常工作@@。
在@@设计自由度方面@@，该器件预留可直接焊接到@@PCB板并装配到接线板的@@自由端电线@@，这些末端电线还可压接到端子上@@，并与连接器一起使用@@，从而为设计人员提供了更多灵活的@@设计选项@@。
图@@7：Molex NTC热敏电阻探头@@（图@@源@@：Molex)
最后再给大家推荐一款同样是来自@@Molex的@@连接器@@——VersaBlade线对线连接器系统@@。该器件能够在@@系统中实现@@300V和@@15.0A的@@可靠信号和@@电源传输@@，并具有防止误插配和@@导致信号故障的@@特性@@。
在@@散热设计@@方面@@，该器件采用了双排系统设计@@，有助于加速散热并实现较小的@@结合力@@。此外@@，具有灼热丝功能的@@外壳符合全球安全和@@环保要求@@。
图@@8：Molex VersaBlade线对线连接器系统@@（图@@源@@：Molex)
结语@@
随着产品功能要求的@@不断提升@@，导致设备@@内部元器件贴装更为密集@@，发热量也随着计算和@@功率密度同步增加@@，散热设计@@却因为设备@@外型限制而变得更加困难@@。因此@@，要实现优良的@@热设计@@@@，提高@@整个设备@@的@@热效率@@，要尽早开始着手考虑@@，在@@产品设计的@@原型阶段@@，就要开始规划系统整体的@@散热策略@@，并在@@器件选型过程中@@，就充分考虑整个系统的@@热设计@@目标对于单一器件的@@热功率要求@@。好的@@热设计@@@@，应从器件选型开始@@。
本文转载自@@： 贸泽电子@@@@微信公众号@@@@